JP2024059456A - Polyurethane-modified epoxy resin, polyurethane-modified epoxy resin composition as well as cured product with composition, resin composition for fiber-reinforced composite material and fiber-reinforced composite material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、繊維基材への含浸性、耐熱性、および機械物性に優れた性能を有するエポキシ樹脂組成物、およびそれを用いた硬化物等に関する。 The present invention relates to an epoxy resin composition that has excellent performance in terms of impregnation into fiber substrates, heat resistance, and mechanical properties, and to a cured product using the same.
近年、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、またはほかの構造繊維が強化繊維として使用されている繊維強化複合材料は、その優れた比強度および比弾性率を活かし、ボートや自動車等の構造材料、テニスラケット、ゴルフ用クラブ、釣竿等のスポーツ用品、および一般産業用途において使用されている。 In recent years, fiber-reinforced composite materials, which use carbon fiber, glass fiber, aramid fiber, or other structural fibers as reinforcing fibers, have been used in structural materials for boats and automobiles, sporting goods such as tennis rackets, golf clubs, and fishing rods, and in general industrial applications, taking advantage of their excellent specific strength and specific elastic modulus.
繊維強化複合材料の製造方法としては、未硬化マトリクス樹脂を強化繊維に注入してシート状のプリプレグ中間体を形成した後で硬化させる方法、金型にセットした強化繊維の中に液状の樹脂を流し込んで中間体を作製した後で硬化させるトランスファー成形法等が用いられる。これらの成型法に用いられる樹脂としては、耐熱性、接着性、機械強度に優れることから、エポキシ樹脂が一般的に用いられる。近年、構造部材への繊維強化複合材料の適用が拡大するにつれて、部材のさらなる軽量化の要求が高まり、プリプレグに用いられるエポキシ樹脂についても高性能化が求められている。具体的には、エポキシ樹脂硬化物の引張試験や曲げ試験における弾性率や応力強度を高めることで、軽量かつ高性能な繊維強化複合材料を設計することが可能となる。 Methods for manufacturing fiber-reinforced composite materials include a method in which uncured matrix resin is injected into reinforcing fibers to form a sheet-like prepreg intermediate, which is then cured, and a transfer molding method in which liquid resin is poured into reinforcing fibers set in a mold to create an intermediate, which is then cured. Epoxy resin is commonly used as the resin for these molding methods, as it has excellent heat resistance, adhesiveness, and mechanical strength. In recent years, as the application of fiber-reinforced composite materials to structural members has expanded, there has been an increasing demand for further weight reduction in the members, and there has been a demand for higher performance for the epoxy resin used in the prepreg. Specifically, it is possible to design lightweight, high-performance fiber-reinforced composite materials by increasing the elastic modulus and stress strength in tensile tests and bending tests of cured epoxy resins.
特許文献1は、多官能ビスフェノール型エポキシ樹脂とアミン型エポキシ樹脂を併用することにより、エポキシ樹脂硬化物の曲げ弾性率と破壊強度を両立する技術が開示されている。
特許文献2は、3官能型以上のアミン型エポキシ樹脂と、高分子量のビスフェノールF型エポキシ樹脂を用いることにより、エポキシ樹脂硬化物の弾性率を高める技術が開示されている。
また特許文献3は、アミノフェノール型エポキシ樹脂を、芳香族アミン化合物にて硬化させることにより、エポキシ樹脂硬化物の弾性率を高める技術が開示されている。
Patent Document 1 discloses a technique for achieving both a high bending modulus and a high breaking strength in a cured epoxy resin by using a polyfunctional bisphenol-type epoxy resin and an amine-type epoxy resin in combination.
Patent Document 2 discloses a technique for increasing the elastic modulus of a cured epoxy resin by using a tri- or higher functional amine-type epoxy resin and a high molecular weight bisphenol F-type epoxy resin.
Furthermore, Patent Document 3 discloses a technique for increasing the elastic modulus of a cured epoxy resin by curing an aminophenol type epoxy resin with an aromatic amine compound.
一方、近年の炭素繊維の用途拡大を受け、成型法も広がりを見せている。このうち、フィラメントワインディング法は、圧力容器などの中空の容器や円筒の製造に好適に用いられる方法である。生産性および品質の観点から、従来のウェット法に加え、強化繊維束に熱硬化性樹脂をあらかじめ含浸したトウプリプレグ、ヤーンプリプレグあるいはストランドプリプレグなどと呼ばれる細幅の中間基材を用いる手法が注目されている。ほかにも液状のマトリクス樹脂が入った樹脂浴に通し、マトリクス樹脂を強化繊維束に含浸させ、その後、スクイーズダイおよび加熱金型を通して、引張機によって強化繊維束を連続的に引抜きつつ硬化させる引抜き成型法も生産性の観点から注目されている。 Meanwhile, with the recent expansion of applications for carbon fiber, molding methods are also spreading. Among these, the filament winding method is a method that is preferably used for manufacturing hollow containers and cylinders such as pressure vessels. From the viewpoints of productivity and quality, in addition to the conventional wet method, a method that uses a narrow intermediate substrate called a tow prepreg, yarn prepreg, or strand prepreg, in which a reinforcing fiber bundle is pre-impregnated with a thermosetting resin, is attracting attention. Another method that is attracting attention from the viewpoint of productivity is the pultrusion molding method, in which the reinforcing fiber bundle is passed through a resin bath containing a liquid matrix resin to impregnate the matrix resin, and then the reinforcing fiber bundle is passed through a squeeze die and a heated mold, and is continuously pulled out by a pulling machine while hardening.
トウプリプレグが好適に用いられる圧力容器などの用途では、部材のさらなる軽量化の要求が高まっており、樹脂の高弾性化や高強度化、繊維界面の密着性などが求められている。樹脂の高弾性化や高強度化のため高架橋構造を有する樹脂やエラストマーを用いると、樹脂組成物の粘度が上がってしまい繊維への含浸性が不十分になる課題が発生する。また繊維界面の密着性向上のため、ゴム成分やコアシェルゴム粒子を多量に含有させると同じく樹脂組成物の粘度が上がってしまい繊維への含浸性が不十分になる可能性があった。
また引抜き成型工法においても同様に樹脂含浸や金型引抜きの観点から低粘度化や速硬化性が求められ、高粘度な樹脂やエラストマー成分、ゴム成分やコアシェルゴム粒子の使用が制限されてしまう問題があった。
In applications such as pressure vessels for which tow prepregs are suitable, there is an increasing demand for further weight reduction of components, and there is a demand for resins with high elasticity and strength, and adhesion at the fiber interface. If a resin or elastomer having a highly crosslinked structure is used to increase the elasticity and strength of the resin, the viscosity of the resin composition increases, causing a problem of insufficient impregnation into the fiber. In addition, if a large amount of rubber components or core-shell rubber particles is added to improve adhesion at the fiber interface, the viscosity of the resin composition also increases, which may result in insufficient impregnation into the fiber.
Similarly, in the pultrusion molding method, low viscosity and fast curing are required from the standpoint of resin impregnation and die extraction, which has the problem of limiting the use of high-viscosity resins, elastomer components, rubber components, and core-shell rubber particles.
ポリウレタン変性エポキシ樹脂に関して、例えば、特許文献4、5は、ビスフェノールA-アルキレンオキサイド付加物のジグリシジルエーテル(A)と、エポキシ樹脂とエポキシ樹脂中に分散しているポリウレタンとを含有し、ポリウレタンが、エポキシ樹脂中で、ポリイソシアネート化合物と、ポリイソシアネート化合物と反応しうる硬化剤とを反応させて得られたポリウレタンであるエポキシ樹脂/ポリウレタン混合物(B)が開示されている。
特許文献6は、エポキシ基を有する化合物と、分子内に一般式(II)で表される構造単位を含むポリウレタンとを含有する樹脂組成物が開示されている。
特許文献7は、ビスフェノール型エポキシ樹脂(a)を、中高分子量ポリオール化合物(b)、ポリイソシアネート化合物(c)および鎖長延長剤としての低分子量ポリオール化合物(d)によって変性してなり、エポキシ樹脂(a)を所定量使用し、かつ中高分子量ポリオール化合物(b)とポリイソシアネート化合物(c)を所定使用量にて反応させたのち、所定量の低分子量ポリオール化合物(d)を加えて得られるポリウレタン変性エポキシ樹脂が開示されている。
特許文献8は、水酸基含有エポキシ樹脂(A)、ポリイソシアネート化合物(B)及びポリカーボネートポリオール(C)を必須の反応原料とし、ポリカーボネートポリオール(C)が所定量であるポリカーボネート変性エポキシ樹脂が開示されている。
特許文献9は、エポキシ樹脂(A)と、ポリエーテルポリオール由来の構造を有し、且つ、分子鎖の両末端にイソシアネート基又は水酸基を有するウレタンプレポリマー(B)、及び硬化剤(C)を配合して得られるエポキシ樹脂組成物であって、硬化反応前は(A)と(B)が相溶しており、硬化反応後は(A)が海構造を形成し、且つ(B)が島構造を形成して、得られるエポキシ樹脂組成物の硬化物が海島相分離構造である繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物が開示されている。
Regarding polyurethane-modified epoxy resins, for example, Patent Documents 4 and 5 disclose an epoxy resin/polyurethane mixture (B) which contains a diglycidyl ether of a bisphenol A-alkylene oxide adduct (A), an epoxy resin, and a polyurethane dispersed in the epoxy resin, and the polyurethane is a polyurethane obtained by reacting, in the epoxy resin, a polyisocyanate compound with a curing agent capable of reacting with the polyisocyanate compound.
Patent Document 6 discloses a resin composition containing a compound having an epoxy group and a polyurethane containing a structural unit represented by general formula (II) in the molecule.
Patent Document 7 discloses a polyurethane-modified epoxy resin obtained by modifying a bisphenol-type epoxy resin (a) with a medium- to high-molecular-weight polyol compound (b), a polyisocyanate compound (c), and a low-molecular-weight polyol compound (d) as a chain extender, using a predetermined amount of epoxy resin (a), reacting the medium- to high-molecular-weight polyol compound (b) and the polyisocyanate compound (c) in predetermined amounts, and then adding a predetermined amount of the low-molecular-weight polyol compound (d).
Patent Document 8 discloses a polycarbonate-modified epoxy resin in which a hydroxyl group-containing epoxy resin (A), a polyisocyanate compound (B) and a polycarbonate polyol (C) are essential reaction raw materials, and the polycarbonate polyol (C) is contained in a predetermined amount.
Patent Document 9 discloses an epoxy resin composition for fiber-reinforced composite materials obtained by blending an epoxy resin (A), a urethane prepolymer (B) having a structure derived from a polyether polyol and having an isocyanate group or a hydroxyl group at both ends of the molecular chain, and a curing agent (C), in which (A) and (B) are compatible with each other before the curing reaction, and after the curing reaction, (A) forms a sea structure and (B) forms an island structure, and the obtained cured product of the epoxy resin composition has a sea-island phase-separated structure.
特許文献10には、ポリイソシアネート化合物としてジフェニルメタンジイソシアネートを用い、ポリオールとしてポリカーボネートジオールを用い、ジオール、ポリエーテルポリオール、およびグリセリンのプロピレンオキサイド付加物という特定分子量の範囲の3成分を硬化剤として併用することによって、機械的強度、低圧縮歪み、低反発弾性、耐水性などを改善したポリウレタンエラストマーが提案されている。
また特許文献11には、柔軟性、強度、耐水性を改善したポリウレタンエラストマーとして、ポリカーボネートジオール、ポリエーテルポリオールおよびポリイソシアネート化合物を反応させて得られる主剤と、1,4-ブタンジオール等の硬化剤とを用いたポリウレタンエラストマーが提案されている。
特許文献12には、直鎖状ジオールと分岐状またはイソソルビド構造を有するような環状ジオールを組み合わせたポリカーボネートジオールが提案されている。
また特許文献13には、イソソルビド化合物に由来する構造と脂環式ジヒドロキシ化合物に由来する構造を含むポリカーボネート樹脂と軟質スチレン系樹脂を含むポリカーボネート樹脂組成物が提案されている。
また特許文献14には、ポリカーボネート構造を有するポリウレタン変性エポキシ樹脂およびそれを用いた組成物について提案されている。
Patent Document 10 proposes a polyurethane elastomer having improved mechanical strength, low compression set, low rebound resilience, water resistance, and the like, by using diphenylmethane diisocyanate as a polyisocyanate compound, a polycarbonate diol as a polyol, and using three components having specific molecular weight ranges, i.e., a diol, a polyether polyol, and a propylene oxide adduct of glycerin, as a curing agent.
Furthermore, Patent Document 11 proposes a polyurethane elastomer having improved flexibility, strength, and water resistance, which uses a base material obtained by reacting a polycarbonate diol, a polyether polyol, and a polyisocyanate compound, and a curing agent such as 1,4-butanediol.
Patent Document 12 proposes a polycarbonate diol comprising a combination of a linear diol and a branched or cyclic diol having an isosorbide structure.
Furthermore, Patent Document 13 proposes a polycarbonate resin composition containing a polycarbonate resin including a structure derived from an isosorbide compound and a structure derived from an alicyclic dihydroxy compound, and a soft styrene-based resin.
Furthermore, Patent Document 14 proposes a polyurethane-modified epoxy resin having a polycarbonate structure and a composition using the same.
しかしながら、これらの特許文献4~6においてウレタンはエポキシの構造中に導入させエポキシに相溶させることによって靭性を改善したり、繊維や添加物との濡れ性や界面密着性を上げるために用いられていた。また特許文献7~11のようなウレタン変性エポキシ樹脂では特定の構造のポリオールを用いて伸度や靭性改善を目的としており、達成される数値もいまだ満足できる数値ではなかった。特許文献12~13ではイソソルビド化合物に由来する構造を有するポリカーボネートジールおよびその樹脂組成物が提案されているが、ウレタンとしての利用やポリカーボネート樹脂としての利用可能性が提示されているだけであり、ウレタン変性エポキシ樹脂としての適用は提示されていない。特許文献14では、相分離により耐衝撃特性の向上や破壊靭性の向上が示されているが、曲げ強度や曲げ弾性率は未だ要求特性を十分に満たさない場合があり、組成物の粘度自体も高く、フィラメントワインディング法や引抜き成型法には適用できなかった。 However, in Patent Documents 4 to 6, urethane is introduced into the epoxy structure to make it compatible with the epoxy, thereby improving toughness, and increasing wettability and interfacial adhesion with fibers and additives. In addition, in the urethane-modified epoxy resins such as those in Patent Documents 7 to 11, a polyol with a specific structure is used to improve elongation and toughness, and the values achieved are still not satisfactory. Patent Documents 12 and 13 propose polycarbonate zeal and its resin composition having a structure derived from an isosorbide compound, but only the possibility of use as a urethane or a polycarbonate resin is presented, and no application as a urethane-modified epoxy resin is presented. Patent Document 14 shows that the impact resistance and fracture toughness are improved by phase separation, but the flexural strength and flexural modulus still do not fully meet the required properties in some cases, and the viscosity of the composition itself is high, making it impossible to apply to the filament winding method or the pultrusion molding method.
本発明は、フィラメントワインディング法や引抜き成型法に適した低粘度、速硬化性を有しつつ、120-160℃程度の比較的緩やかな硬化温度にて高弾性高強度を発現させるポリウレタン変性エポキシ樹脂およびその組成物を提案するものである。 The present invention proposes a polyurethane-modified epoxy resin and a composition thereof that exhibits high elasticity and high strength at a relatively gentle curing temperature of about 120-160°C while having low viscosity and fast curing properties suitable for the filament winding method and pultrusion molding method.
すなわち、本発明は、注型材、複合材、構造用接着剤等で使用されるウレタン変性エポキシ樹脂において、ガラス転移温度が高く、より低粘度で繊維含浸性に優れ、フィラメントワインディング(FW)成型や引抜き成型に適した優れた引張弾性、引張強度を有する新規なポリウレタン変性エポキシ樹脂組成物およびその硬化物等を提供しようとするものである。 In other words, the present invention aims to provide a new polyurethane-modified epoxy resin composition and its cured product, which has a high glass transition temperature, low viscosity, excellent fiber impregnation, and excellent tensile elasticity and tensile strength suitable for filament winding (FW) molding and pultrusion molding, and is used in urethane-modified epoxy resins for casting materials, composite materials, structural adhesives, etc.
本発明は、下記成分(A)~(C);
(A)ポリオール由来の構造とポリイソシアネート由来の構造とを有し、且つ、分子鎖の末端にイソシアネート基とを有する構造が、分子内に平均して2つ以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂の水酸基と反応した構造を有し、
前記ポリオール由来の構造には、分子内に環状エーテル構造とカーボネート基とを含む構造単位を有するポリカーボネートジオールに由来する構造を55モル%以上含み、
前記分子内に平均して2つ以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂のモル数の1/3以上が、脂肪族型エポキシ樹脂であり、
ウレタン成分濃度が15~60重量%であるポリウレタン変性エポキシ樹脂、
(B)ポリウレタン未変性エポキシ樹脂、及び
(C)硬化剤
を含み、組成物全体に対して、成分(A)を20~70重量%、成分(B)を30.0~80.0重量%、成分(C)を0.1~20.0重量%含有することを特徴とするポリウレタン変性エポキシ樹脂組成物である。
The present invention relates to a composition comprising the following components (A) to (C);
(A) a polyol-derived structure and a polyisocyanate-derived structure, the structure having an isocyanate group at a molecular chain end being reacted with a hydroxyl group of an epoxy resin having two or more epoxy groups on average in the molecule;
The polyol-derived structure contains 55 mol % or more of a structure derived from a polycarbonate diol having a structural unit containing a cyclic ether structure and a carbonate group in the molecule,
one-third or more of the number of moles of the epoxy resin having two or more epoxy groups in an average molecule is an aliphatic epoxy resin,
A polyurethane-modified epoxy resin having a urethane component concentration of 15 to 60% by weight.
The polyurethane-modified epoxy resin composition comprises (B) a polyurethane unmodified epoxy resin, and (C) a curing agent, and is characterized in that it contains 20 to 70% by weight of component (A), 30.0 to 80.0% by weight of component (B), and 0.1 to 20.0% by weight of component (C) based on the total weight of the composition.
本発明のポリウレタン変性エポキシ樹脂組成物は、成分(A)において、前記ポリカーボネートジオールに由来する構造を形成するポリカーボネートジオールが、一般式(5)で表される構造を含むことを特徴とする請求項1に記載のポリウレタン変性エポキシ樹脂組成物。
また、前記ポリウレタン変性エポキシ樹脂(A)において、前記分子内に平均して2つ以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂のモル数の1/2以上が、脂肪族型エポキシ樹脂であることが望ましい。 In addition, in the polyurethane-modified epoxy resin (A), it is desirable that at least half of the moles of the epoxy resin having, on average, two or more epoxy groups in the molecule are aliphatic epoxy resins.
また、ポリウレタン変性エポキシ樹脂(A)は、重量平均分子量が3000以上であることが好ましい。 In addition, it is preferable that the polyurethane-modified epoxy resin (A) has a weight average molecular weight of 3000 or more.
また、ポリウレタン変性エポキシ樹脂(A)において、前記脂肪族エポキシ樹脂が、トリメチロールプロパンのポリグリシジルエーテルであることが好ましい。 In addition, in the polyurethane-modified epoxy resin (A), the aliphatic epoxy resin is preferably a polyglycidyl ether of trimethylolpropane.
また、本発明は、前記のポリウレタン変性エポキシ樹脂組成物を硬化させて得られる硬化物であり、当該組成物を強化繊維に含浸してなる繊維強化複合材料用樹脂組成物及びこれから得られる繊維強化複合材料である。 The present invention also relates to a cured product obtained by curing the polyurethane-modified epoxy resin composition, a resin composition for fiber-reinforced composite materials obtained by impregnating reinforcing fibers with the composition, and a fiber-reinforced composite material obtained from the composition.
さらに、本発明は、ポリオール由来の構造とポリイソシアネート由来の構造とを有し、且つ、分子鎖の末端にイソシアネート基とを有する構造が、分子内に平均して2つ以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂の水酸基と反応した構造を有し、
前記ポリオール由来の構造には、分子内に環状エーテル構造とカーボネート基とを含む構造単位を有するポリカーボネートジオールに由来する構造を55モル%以上含み、
前記分子内に平均して2つ以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂のモル数の1/3以上が、脂肪族型エポキシ樹脂であり、
ウレタン成分濃度が15~60重量%であるポリウレタン変性エポキシ樹脂である。
Further, the present invention provides a polyol-derived structure and a polyisocyanate-derived structure, the structure having an isocyanate group at a molecular chain end being reacted with a hydroxyl group of an epoxy resin having two or more epoxy groups on average in the molecule,
The polyol-derived structure contains 55 mol % or more of a structure derived from a polycarbonate diol having a structural unit containing a cyclic ether structure and a carbonate group in the molecule,
one-third or more of the number of moles of the epoxy resin having two or more epoxy groups in an average molecule is an aliphatic epoxy resin,
The polyurethane-modified epoxy resin has a urethane component concentration of 15 to 60% by weight.
本発明のポリウレタン変性エポキシ樹脂組成物は、好適には25℃での粘度が50Pa・s以下と低粘度であり繊維含浸性に優れ、ガラス転移温度の低下を抑制しつつ、かつ硬化物が最適に相分離した状態を形成しており、優れた引張弾性および引張強度を有するため、機械物性や界面強度を必要とする産業用、スポーツレジャー用、土木建築用などの複合材料用のマトリックス樹脂や接着剤の配合樹脂などに適するものとなる。 The polyurethane-modified epoxy resin composition of the present invention has a low viscosity of preferably 50 Pa·s or less at 25°C, excellent fiber impregnation, inhibits a decrease in glass transition temperature, and forms an optimal phase-separated state in the cured product. It also has excellent tensile elasticity and tensile strength, making it suitable as a matrix resin for composite materials and compounded resins for adhesives in industrial, sports and leisure, civil engineering and construction applications that require mechanical properties and interfacial strength.
本発明のポリウレタン変性エポキシ樹脂組成物は、ポリウレタン変性エポキシ樹脂(A)に、ポリウレタン濃度の調整剤としてのポリウレタン未変性のエポキシ樹脂(B)、及び硬化剤(C)を必須成分として含み、当該エポキシ樹脂組成物の合計量(固形分)に対して、ポリウレタン変性エポキシ樹脂(A)を20~70重量%、ポリウレタン未変性のエポキシ樹脂(B)を30.0~80.0重量%、及び硬化剤(C)を0.1~20.0重量%含有することを特徴とする。 The polyurethane-modified epoxy resin composition of the present invention contains, as essential components, polyurethane-modified epoxy resin (A), polyurethane-unmodified epoxy resin (B) as a polyurethane concentration adjuster, and curing agent (C), and is characterized in that it contains 20 to 70% by weight of polyurethane-modified epoxy resin (A), 30.0 to 80.0% by weight of polyurethane-unmodified epoxy resin (B), and 0.1 to 20.0% by weight of curing agent (C) relative to the total amount (solid content) of the epoxy resin composition.
なお、本発明の樹脂組成物は、必要に応じて、硬化促進剤(D)、さらには炭酸カルシウム、タルク、二酸化チタン等の無機フィラー、また離型剤を配合できる。 The resin composition of the present invention can be blended with a curing accelerator (D), inorganic fillers such as calcium carbonate, talc, and titanium dioxide, and a release agent, if necessary.
本発明に使用するポリウレタン変性エポキシ樹脂(A)は、液状ビスフェノール型エポキシ樹脂(a-1)や脂肪族型エポキシ樹脂(a-2)等の分子内に平均して2つ以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂〔以下、これらをまとめて(a)と表記することがある。〕、分子内に環状エーテル構造とカーボネート基とを含む構造単位を有するポリカーボネートジオール(b-1)等のポリオール化合物、およびポリイソシアネート化合物(c)を必須成分として使用する。物性や粘度の最適化、相溶性の微調整、分子量制御などの観点から前記ポリカーボネートジオール以外に、数平均分子量500以上のポリオール化合物(b-2)、鎖長延長剤としての数平均分子量500未満の低分子量ポリオール化合物(d)を適宜使用してもよい。ここで記載している数平均分子量は、水酸基価(ヒドロキシル価)から換算される値であり、水酸基価はJISK1557に準じた測定方法で測定した値が通常用いられる。以下、同様である。
以下、ポリウレタン変性エポキシ樹脂(A)の各成分について説明する。
The polyurethane-modified epoxy resin (A) used in the present invention uses, as essential components, an epoxy resin having two or more epoxy groups on average in the molecule, such as a liquid bisphenol-type epoxy resin (a-1) or an aliphatic-type epoxy resin (a-2) [hereinafter, these may be collectively referred to as (a)], a polyol compound such as a polycarbonate diol (b-1) having a structural unit containing a cyclic ether structure and a carbonate group in the molecule, and a polyisocyanate compound (c). In addition to the polycarbonate diol, a polyol compound (b-2) having a number average molecular weight of 500 or more and a low molecular weight polyol compound (d) having a number average molecular weight of less than 500 as a chain extender may be appropriately used from the viewpoints of optimizing physical properties and viscosity, fine-tuning compatibility, and molecular weight control. The number average molecular weight described here is a value converted from the hydroxyl value, and the hydroxyl value is usually a value measured by a measurement method according to JIS K1557. The same applies below.
Each component of the polyurethane-modified epoxy resin (A) will be described below.
分子内に平均して2つ以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂(a)としては、前記した(a-1)や(a-2)を用いることが好ましい。分子内に平均して2つ以上のエポキシ基を有することにより、その後の硬化剤との反応で各種物性を発現させるという点等で好適である。 As the epoxy resin (a) having two or more epoxy groups on average in the molecule, it is preferable to use the above-mentioned (a-1) or (a-2). By having two or more epoxy groups on average in the molecule, it is advantageous in that various physical properties are expressed by the subsequent reaction with a curing agent.
ここで、前記エポキシ樹脂(a-1)は、耐熱性や機械特性発現のために好適な成分であり、常温で液状であり、かかる観点からエポキシ当量が300g/eq以下であることが好ましい。さらに好ましくは、エポキシ当量が150~300g/eqで、水酸基当量800~3600g/eqのエポキシ樹脂である。具体的には、下記一般式(1)で示され、エポキシ当量150~200g/eq、かつ水酸基当量2000~3000g/eqの2級水酸基含有ビスフェノール型エポキシ樹脂が好適である。 Here, the epoxy resin (a-1) is a component suitable for expressing heat resistance and mechanical properties, and is liquid at room temperature. From this viewpoint, it is preferable that the epoxy equivalent is 300 g/eq or less. More preferably, it is an epoxy resin having an epoxy equivalent of 150 to 300 g/eq and a hydroxyl equivalent of 800 to 3600 g/eq. Specifically, a secondary hydroxyl group-containing bisphenol type epoxy resin represented by the following general formula (1), having an epoxy equivalent of 150 to 200 g/eq and a hydroxyl equivalent of 2000 to 3000 g/eq, is suitable.
特に好ましいエポキシ樹脂(a-1)は、式(1a)で示されるビスフェノールA型エポキシ樹脂及び/または式(1b)で示されるビスフェノールF型エポキシ樹脂である。 Particularly preferred epoxy resins (a-1) are bisphenol A type epoxy resins represented by formula (1a) and/or bisphenol F type epoxy resins represented by formula (1b).
式(1)、式(1a)、式(1b)において、繰り返し数a、a1又はa2の平均値(数平均)は1~5の範囲であり、好ましくは1~3の範囲である。
In formula (1), formula (1a), and formula (1b), the average value (number average) of the number of repetitions a, a1, or a2 is in the range of 1 to 5, and preferably in the range of 1 to 3.
また、エポキシ樹脂(a-2)はポリウレタン変性エポキシ樹脂およびそれを用いた組成物の低粘度化のために好適な成分であり、25℃における粘度が100mPa・s以上5000mPa・s以下であることが好ましい。また構造中に水酸基を含有するエポキシ樹脂であればよく、1級水酸基、2級水酸基のどちらを有してもよく、また、これらのどちらを反応に用いてもよく、末端のグリシジル化がすべて完結していないエポキシ樹脂の水酸基を用いてもよい。ポリウレタン変性エポキシ樹脂およびそれを用いた組成物の低粘度化の観点から、脂肪族型エポキシ樹脂(a-2)は、前述のエポキシ樹脂(a)に対して、反応するエポキシ樹脂(a)の合計のモル数の1/3以上を用いる。1/2以上を用いることが好適である。より好ましくは当該モル数の2/3以上である。なお、ここでいう「モル数」については、各エポキシ樹脂の使用量(質量)を水酸基当量で除して単位官能基あたりに換算した値が採用されることが好ましい。本発明では、エポキシ樹脂(a-1)および(a-2)の多量体(例えば、上記式(1)のa=1以上の場合)の2級水酸基の1つがイソシアネート基と反応することでウレタン構造の末端をキャップするような形でウレタンプレポリマーを形成することを想定しているが、a=2以上ではウレタン構造の末端をキャップせずに分子鎖の延長に寄与する傾向になることや分子量の増大からゲル化の傾向も想定される。それゆえ、a=0体以外はa=1体がほとんどを占めることから、水酸基当量で除した値がほぼn1体の数を示していると想定している。そのためこの数をモル数とし、数の比をモル比として表している。 Epoxy resin (a-2) is also a suitable component for reducing the viscosity of polyurethane-modified epoxy resins and compositions using the same, and the viscosity at 25°C is preferably 100 mPa·s or more and 5000 mPa·s or less. Any epoxy resin containing hydroxyl groups in the structure may be used, and either a primary hydroxyl group or a secondary hydroxyl group may be used in the reaction. Hydroxyl groups of epoxy resins in which terminal glycidylation is not completed may be used. From the viewpoint of reducing the viscosity of polyurethane-modified epoxy resins and compositions using the same, the aliphatic epoxy resin (a-2) is used in an amount of 1/3 or more of the total number of moles of epoxy resin (a) reacting with the above-mentioned epoxy resin (a). It is preferable to use 1/2 or more. More preferably, it is 2/3 or more of the number of moles. In addition, for the "number of moles" referred to here, it is preferable to use the value obtained by dividing the amount (mass) of each epoxy resin used by the hydroxyl group equivalent and converting it to a unit functional group. In the present invention, it is assumed that one of the secondary hydroxyl groups of the polymer of epoxy resins (a-1) and (a-2) (for example, when a=1 or more in the above formula (1)) reacts with an isocyanate group to form a urethane prepolymer in such a way that the end of the urethane structure is capped. However, when a=2 or more, it is assumed that the end of the urethane structure is not capped and that it tends to contribute to the extension of the molecular chain, and that the increase in molecular weight may lead to gelation. Therefore, since most of the a=1 forms are other than the a=0 form, it is assumed that the value divided by the hydroxyl group equivalent indicates approximately the number of n1 forms. Therefore, this number is expressed as the number of moles, and the ratio of the numbers is expressed as the molar ratio.
脂肪族型エポキシ樹脂としては、2価以上の脂肪族アルコールのポリグリシジルエーテルが好ましく、脂環式骨格を有していてもよい。2価の脂肪族アルコールとしては、1,4-ブタンジオール、3-メチル-1,5-ペンタンジオール、ジエチレングリコール、ネオペンチルグリコール、1,6-ヘキサンジオール、1,9-ノナンジオール、シクロヘキサンジメタノール、プロピレングリコールなどが挙げられる。また、3価以上の脂肪族アルコールとしては、グリセリン、トリメチロールプロパン、トリメチロールエタン、テトラメチロールプロパン、ソルビトール、ペンタエリスリトール等が挙げられる。なかでもトリメチロールプロパンのポリグリシジルエーテルが、粘度や相溶性、機械物性などの観点から好適である。 As the aliphatic epoxy resin, polyglycidyl ether of divalent or higher aliphatic alcohol is preferred, which may have an alicyclic skeleton. Examples of divalent aliphatic alcohols include 1,4-butanediol, 3-methyl-1,5-pentanediol, diethylene glycol, neopentyl glycol, 1,6-hexanediol, 1,9-nonanediol, cyclohexanedimethanol, and propylene glycol. Examples of trivalent or higher aliphatic alcohols include glycerin, trimethylolpropane, trimethylolethane, tetramethylolpropane, sorbitol, and pentaerythritol. Among these, polyglycidyl ether of trimethylolpropane is preferred from the viewpoints of viscosity, compatibility, mechanical properties, and the like.
ポリカーボネートジオール(b-1)としては、下記一般式(5)で例示されるカーボネート基を含む構造単位を有するポリカーボネートジオールであり、且つ、該ポリカーボネートジオールは、下記一般式(6)で例示される環状エーテル構造を有するジヒドロキシ(2官能アルコール)化合物に由来する構造単位を有する。このようなジヒドロキシ(2官能アルコール)化合物に由来する構造単位としては、具体的には、イソソルビド、イソマンニド及びイソイディットよりなる群から選ばれた少なくとも1種に由来する構造単位であることがよい。 The polycarbonate diol (b-1) is a polycarbonate diol having a structural unit containing a carbonate group as exemplified by the following general formula (5), and the polycarbonate diol has a structural unit derived from a dihydroxy (bifunctional alcohol) compound having a cyclic ether structure as exemplified by the following general formula (6). Specifically, the structural unit derived from such a dihydroxy (bifunctional alcohol) compound may be a structural unit derived from at least one selected from the group consisting of isosorbide, isomannide, and isoidite.
式(5)中、Rは、酸素を含んでいてもよいジヒドロキシ(2官能アルコール)化合物に由来する構造を含む炭素数1~15の2価の基である。少なくとも一部に一般式(6)で表される化合物由来の構造単位を含む。mは1~50の数である。)なお、ジヒドロキシ(2官能アルコール)化合物に由来する構造とは、ジヒドロキシ(2官能アルコール)化合物のうち分子末端の少なくとも1つの水酸基(一部を含んでもよい)を除いた残構造を指す。 In formula (5), R is a divalent group having 1 to 15 carbon atoms that contains a structure derived from a dihydroxy (difunctional alcohol) compound that may contain oxygen. At least a portion of the structure contains a structural unit derived from a compound represented by general formula (6). m is a number from 1 to 50.) The structure derived from a dihydroxy (difunctional alcohol) compound refers to the remaining structure of a dihydroxy (difunctional alcohol) compound excluding at least one hydroxyl group (which may include a portion) at the molecular end.
また前記ポリカーボネートジオールは、構造の一部に式(6)で表される環状エーテル構造を有するジヒドロキシ(2官能アルコール)化合物に由来する構造単位以外を有していてもよく、炭素数2~20の二価の炭化水素基の繰り返し構造を有してもよい。例えば、炭素数2~20の二価の炭化水素基としてアルキレンエーテルグリコールに由来する構造が挙げられる。具体的にはポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリテトラメチレンエーテルグリコール、3-メチルテトラヒドロフランとテトラヒドロフランの共重合ポリテトラメチレンエーテルギリコール、ネオペンチルグリコールとテトラヒドロフランの共重合ポリエーテルポリオール、エチレンオキサイドとテトラヒドロフランの共重合ポリエーテルポリオール、プロピレンオキサイドとテトラヒドロフランの共重合ポリエーテルグリコールよりなる群から選ばれた少なくとも1種に由来する構造である。
また、炭素数4~12の二価の炭化水素基を有するものとして、ネオペンチルグリコール、3-メチル-1,5-ペンタンジオール、2-メチル-1,3-プロパンジオール、2-メチル-1,4-ブタンジオールよりなる群から選ばれた少なくとも1種に由来する構造単位である。
The polycarbonate diol may have a structural unit other than that derived from a dihydroxy (difunctional alcohol) compound having a cyclic ether structure represented by formula (6) as a part of its structure, and may have a repeating structure of a divalent hydrocarbon group having 2 to 20 carbon atoms. For example, the divalent hydrocarbon group having 2 to 20 carbon atoms may have a structure derived from an alkylene ether glycol. Specifically, the structure is derived from at least one selected from the group consisting of polyethylene glycol, polypropylene glycol, polytetramethylene ether glycol, copolymerized polytetramethylene ether glycol of 3-methyltetrahydrofuran and tetrahydrofuran, copolymerized polyether polyol of neopentyl glycol and tetrahydrofuran, copolymerized polyether polyol of ethylene oxide and tetrahydrofuran, and copolymerized polyether glycol of propylene oxide and tetrahydrofuran.
Furthermore, the structural unit having a divalent hydrocarbon group having 4 to 12 carbon atoms is derived from at least one selected from the group consisting of neopentyl glycol, 3-methyl-1,5-pentanediol, 2-methyl-1,3-propanediol, and 2-methyl-1,4-butanediol.
前記ポリカーボネートジオールにおける構造の一部に式(2)で表される環状エーテル構造を有するジヒドロキシ化合物は、構造単位として10~90モル%、好ましくは20~80モル%が好ましい。 The dihydroxy compound having a cyclic ether structure represented by formula (2) as part of the structure of the polycarbonate diol is preferably 10 to 90 mol %, and more preferably 20 to 80 mol %, of the structural units.
市販品として入手可能な前記ポリカーボネートジオール〔構造の一部に、前記式(6)で表される環状エーテル構造を有するジヒドロキシ化合物に由来する構造を含む場合を含む。〕としては、ベネビオールHS0840H(商品名、三菱ケミカル株式会社製)などが挙げられる。 Commercially available polycarbonate diols (including those containing a structure derived from a dihydroxy compound having a cyclic ether structure represented by formula (6) in part of their structure) include Benebiol HS0840H (trade name, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation).
(A)成分中において、前記したポリカーボネートジオール(b-1)に由来する構造については、後述のポリオール化合物(b-2)を含む全てのポリオール化合物に由来する構造のうち55モル%以上とする。すなわち、(b-1)及び(b-2)のうち、ポリカーボネートジオール(b-1)由来する構造をこのような量の範囲になるように使用することにより、硬化物とした際に高弾性高強度を発現させることができるため好適である。より好ましくは75モル%以上、さらに好ましくは100モル%使用するとよい。ここで使用しているモルとは、各成分の重量を数平均分子量で割った値をモルとする。但し、ここでいうポリカーボネートジオール(b-1)以外のポリオール化合物には、後記の鎖延長剤としての数平均分子量500未満の低分子量ポリオール化合物(d)は含まれない。 In the component (A), the structure derived from the polycarbonate diol (b-1) is 55 mol% or more of the structures derived from all polyol compounds including the polyol compound (b-2) described below. In other words, by using the structure derived from the polycarbonate diol (b-1) in such an amount range among (b-1) and (b-2), it is possible to develop high elasticity and high strength when the cured product is formed, which is preferable. More preferably, 75 mol% or more, and even more preferably, 100 mol% is used. The mole used here refers to the value obtained by dividing the weight of each component by the number average molecular weight. However, the polyol compounds other than the polycarbonate diol (b-1) mentioned here do not include the low molecular weight polyol compound (d) having a number average molecular weight of less than 500 as a chain extender described below.
ポリカーボネートジオール(b-1)以外のポリオール化合物(b-2)としては、下記式(2b)~(2d)で示される化合物等であり、例えばポリエチレングリコール(PEG)、ポリプロピレングリコール(PPG)、ポリテトラメチレンエーテルグリコール(PTMG)、ポリエチレンプロピレングリコール(PEPG)、2種以上のアルキレンオキサイド共重合体(例えば、エチレンオキサイド・プロピレンオキサイド共重合体)等が挙げられる。また、(b-2)として、本発明の目的を阻害しない範囲で、ラクトン変性ポリオール、ポリエステルポリオール、ポリカーボネートポリオールなどのポリオール化合物を用いることができ、これらは1種又は2種以上を混合して用いることができる。これら(b-2)成分についても、(b-1)と同様の数平均分子量を有することが好ましい。 The polyol compound (b-2) other than the polycarbonate diol (b-1) is a compound represented by the following formulas (2b) to (2d), and examples thereof include polyethylene glycol (PEG), polypropylene glycol (PPG), polytetramethylene ether glycol (PTMG), polyethylene propylene glycol (PEPG), and two or more alkylene oxide copolymers (for example, ethylene oxide-propylene oxide copolymers). In addition, polyol compounds such as lactone-modified polyols, polyester polyols, and polycarbonate polyols can be used as long as they do not impede the object of the present invention, and these can be used alone or in a mixture of two or more. It is preferable that these (b-2) components also have the same number average molecular weight as (b-1).
ポリイソシアネート化合物(c)は、NCO基の数は2以上であればよいが、2であることが好ましい。一般式(3)で示され、R4は式(i)~(vi)から選ばれる2価の基であるものが好ましい。これらの中でエポキシ樹脂(a)との相溶性に優れるものが好適に選択される。 The polyisocyanate compound (c) may have 2 or more NCO groups, but preferably has 2. It is preferably represented by general formula (3), in which R4 is a divalent group selected from formulas (i) to (vi). Among these, it is preferable to select one having excellent compatibility with the epoxy resin (a).
具体的には、トルエンジイソシアネート(TDI)、4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)、キシリレンジイソシアネート(XDI)、水素化キシリレンジイソシアネート(HXDI)、イソホロンジイソシアネート(IPDI)、ナフタレンジイソシアネート等を挙げることができる。
ここで、R4は式i~viから選ばれる2価の基であることが好ましい。
特に、低分子量で増粘性がなく低価格、安全性などの観点から、式(3a)で示される4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)がより好ましい。
低分子量ポリオール化合物(d)は、数平均分子量が500未満のポリオール化合物である。好ましくは200未満である。鎖長延長剤として使用される。好ましくは、式(4)で示され、1級水酸基を2個有するジオール化合物である。
低分子量ポリオール化合物(d)は、具体的には1,4-ブタンジオール、1,6-ペンタンジオール等の多価アルコールなどが挙げられる。特に、1,4-ブタンジオールが入手の容易さ、価格と特性のバランスの良さの点からより好ましい。 Specific examples of the low molecular weight polyol compound (d) include polyhydric alcohols such as 1,4-butanediol and 1,6-pentanediol. In particular, 1,4-butanediol is more preferred in terms of ease of availability and the good balance between price and properties.
次に、上記で例示した各成分(a-1)、(a-2)、(b-1)、(b-2)、(c)及び(d)のうちのいずれか又は全部を用いたポリウレタン変性エポキシ樹脂について、反応機構を交えながら説明する。各成分はそれぞれ、1種又は2種以上を混合して用いることができる。 Next, we will explain polyurethane-modified epoxy resins using any or all of the above-listed components (a-1), (a-2), (b-1), (b-2), (c) and (d), including the reaction mechanism. Each component can be used alone or in a mixture of two or more types.
エポキシ樹脂(a)(例えば、(a-1)、(a-2))中のOH基は、主に2級OH基である。一方、ポリカーボネートジオール(b-1)及びポリカーボネートジオール以外のポリオール化合物(b-2)のOH基は、主に1級OH基である。そのため、エポキシ樹脂(a)、ポリカーボネートジオール(b-1)及び/又はポリカーボネートジオール以外のポリオール化合物(b-2)並びにポリイソシアネート化合物(c)等を仕込んで反応させたとき、前記(b-1)や(b-2)の1級OH基とポリイソシアネート化合物(c)のNCO基が優先的に反応する。 The OH groups in the epoxy resin (a) (e.g., (a-1), (a-2)) are mainly secondary OH groups. On the other hand, the OH groups in the polycarbonate diol (b-1) and the polyol compound (b-2) other than the polycarbonate diol are mainly primary OH groups. Therefore, when the epoxy resin (a), the polycarbonate diol (b-1) and/or the polyol compound (b-2) other than the polycarbonate diol, and the polyisocyanate compound (c) are charged and reacted, the primary OH groups in (b-1) and (b-2) react preferentially with the NCO group in the polyisocyanate compound (c).
代表的には、前記(b-1)、(b-2)中の1級OH基と前記(c)中のNCO基とが先に反応して、これらが結合されたNCO基末端のウレタンプレポリマー(P1)が生成する。すなわち、ウレタンプレポリマー(P1)は、(b-1)、(b-2)に由来するポリオール由来の構造と、ポリイソシアネート化合物由来の構造とを有する構造が結合されてなる。ここで、ポリオール由来の構造とは、ポリオール化合物のうち分子末端の少なくとも1つの水酸基(一部を含んでもよい)を除いた残構造を指す。また、ポリイソシアネート化合物由来の構造とは、ポリイソシアネート化合物のうち分子末端の少なくとも1つのイソシアネート基(一部を含んでもよい)を除いた残構造を指す。好ましくは、反応後の両末端にNCO基を有するウレタンプレポリマー(P1)として生成されることがよい。その後、エポキシ樹脂(a)の中のOH基(好適には、2級OH基)が、ウレタンプレポリマー(P1)の末端NCO基と反応してウレタン結合を形成し、ウレタンプレポリマー(P1)の両末端もしくは片末端にエポキシ樹脂(a)が付加したウレタンプレポリマー(P2)となると考えられる。 Typically, the primary OH groups in (b-1) and (b-2) react with the NCO groups in (c) to produce a urethane prepolymer (P1) with NCO groups at the end. That is, the urethane prepolymer (P1) is formed by combining a structure derived from a polyol derived from (b-1) and (b-2) with a structure derived from a polyisocyanate compound. Here, the polyol-derived structure refers to the remaining structure of the polyol compound excluding at least one hydroxyl group (which may include a portion) at the molecular end. Also, the polyisocyanate compound-derived structure refers to the remaining structure of the polyisocyanate compound excluding at least one isocyanate group (which may include a portion) at the molecular end. It is preferable that the urethane prepolymer (P1) having NCO groups at both ends after the reaction is produced. It is believed that the OH groups (preferably secondary OH groups) in the epoxy resin (a) then react with the terminal NCO groups of the urethane prepolymer (P1) to form urethane bonds, resulting in a urethane prepolymer (P2) in which the epoxy resin (a) is added to both ends or one end of the urethane prepolymer (P1).
すなわち、ウレタンプレポリマー(P)は、NCO基末端のウレタンプレポリマー(P1)と、P1の両末端もしくは片末端にエポキシ樹脂(a)〔エポキシ樹脂(a)由来の構造〕が付加したウレタンプレポリマー(P2)の混合物と考えられるが、NCO基のモル比が大きく、またエポキシ樹脂も大過剰に使用するため、主にP1の両末端にエポキシ樹脂が付加したウレタンプレポリマー(P2)が生成していると考えられる。ここで、エポキシ樹脂由来の構造とは、エポキシ樹脂のうちの少なくとも1つの水酸基(一部を含んでもよい)を除いた残構造を指す。 In other words, the urethane prepolymer (P) is considered to be a mixture of an NCO-terminated urethane prepolymer (P1) and a urethane prepolymer (P2) in which an epoxy resin (a) [a structure derived from an epoxy resin (a)] is added to both ends or one end of P1. However, because the molar ratio of NCO groups is large and the epoxy resin is used in large excess, it is considered that a urethane prepolymer (P2) in which an epoxy resin is added to both ends of P1 is mainly produced. Here, the structure derived from an epoxy resin refers to the remaining structure excluding at least one hydroxyl group (which may include a portion) of the epoxy resin.
エポキシ樹脂(a)の仕込み割合としては、成分(a)、(b-1)、(b-2)、(c)、(d)の合計量に対して50~90重量%使用することが好ましい。エポキシ樹脂(a)の仕込み割合を増加させるにつれ、ウレタンプレポリマー(P1)の両末端もしくは片末端がエポキシ樹脂(a)で封止され、末端NCO基が消費され、鎖長延長剤である低分子量ポリオール化合物(d)とも反応しないウレタンプレポリマー(P2)量が増加し、末端がNCO基である当初のウレタンプレポリマー(P1)の割合が減少し、P1の末端NCO基と鎖延長剤である低分子量ポリオール化合物(d)のOH基との反応で生成するポリウレタンの生成量が減少するため、ポリウレタン変性エポキシ樹脂の分子量分布も低分子量側にシフトする。 The epoxy resin (a) is preferably used at a ratio of 50 to 90% by weight based on the total amount of components (a), (b-1), (b-2), (c), and (d). As the ratio of epoxy resin (a) is increased, both ends or one end of the urethane prepolymer (P1) are blocked with the epoxy resin (a), the terminal NCO groups are consumed, the amount of urethane prepolymer (P2) that does not react with the low molecular weight polyol compound (d) as a chain extender increases, the ratio of the original urethane prepolymer (P1) with NCO groups at the end decreases, and the amount of polyurethane produced by the reaction between the terminal NCO groups of P1 and the OH groups of the low molecular weight polyol compound (d) as a chain extender decreases, so that the molecular weight distribution of the polyurethane-modified epoxy resin also shifts to the low molecular weight side.
反対に、エポキシ樹脂(a)の仕込み割合を減少させると、両末端もしくは片末端がエポキシ樹脂(a)で封止されたウレタンプレポリマー(P2)の量が減少し、末端がNCO基のままの当初のウレタンプレポリマー(P1)の割合が増大する。そのため、P1の末端NCO基と鎖延長剤である低分子量ポリオール化合物(d)のOH基との反応で生成するポリウレタンの生成量が増大するため、ポリウレタン変性エポキシ樹脂の分子量分布も高分子量側にシフトする。 Conversely, if the proportion of epoxy resin (a) is reduced, the amount of urethane prepolymer (P2) with both or one end blocked with epoxy resin (a) decreases, and the proportion of the original urethane prepolymer (P1) with NCO groups at the ends increases. As a result, the amount of polyurethane produced by the reaction between the terminal NCO groups of P1 and the OH groups of the low molecular weight polyol compound (d), which serves as a chain extender, increases, and the molecular weight distribution of the polyurethane-modified epoxy resin also shifts to the higher molecular weight side.
エポキシ樹脂(a)について、例えば、(a-1)、(a-2)は、繰り返し数aが0の単量体と、1以上の多量体の混合物であることが多いが、多量体の場合はエポキシ基が開環して生じる2級OH基を有する。この2級OH基は、ポリイソシアネート化合物(c)のNCO基又はウレタンプレポリマー(P)の末端のNCO基と反応性であるため、エポキシ樹脂(a-1)、(a-2)中に2級OH基を有する場合(例えば、式(1)のa=1以上体)は反応する。なお、エポキシ樹脂(a)においてOH基を有しない場合(例えば、式(1)におけるa=0体等)はこの反応には関与しない。このように、本発明におけるポリウレタン変性エポキシ樹脂(A)は、上記で例示した各成分(a-1)、(a-2)、(b-1)、(b-2)、(c)及び(d)のうちのいずれか又は全部を用いて反応させた複雑な構造、また、反応や機能の発現には直接関与しないと考えられるものの、前述のOH基を有しないエポキシ樹脂(a)を完全には区別又は排除され難い状態で含有した混合物の形態であると解されることから、当該(A)成分をその構造又は特性により直接特定することが不可能であるか、又はおよそ実際的でないという事情(いわゆる、不可能・非実際的事情)が一部存在する。 Regarding epoxy resin (a), for example, (a-1) and (a-2) are often a mixture of a monomer with a repeat number a of 0 and a polymer with a repeat number a of 1 or more, but in the case of a polymer, it has a secondary OH group generated by ring-opening of the epoxy group. This secondary OH group is reactive with the NCO group of the polyisocyanate compound (c) or the NCO group at the end of the urethane prepolymer (P), so if the epoxy resin (a-1) or (a-2) has a secondary OH group (for example, a = 1 or more in formula (1)), it will react. Note that if the epoxy resin (a) does not have an OH group (for example, a = 0 in formula (1)), it will not be involved in this reaction. In this way, the polyurethane-modified epoxy resin (A) of the present invention has a complex structure formed by reacting any or all of the above-listed components (a-1), (a-2), (b-1), (b-2), (c), and (d), and is in the form of a mixture that contains the aforementioned epoxy resin (a) that does not have OH groups in a state that is difficult to completely distinguish or eliminate, although it is not thought to be directly involved in the reaction or expression of function. Therefore, there are some circumstances in which it is impossible or impractical to directly identify the (A) component by its structure or properties (so-called impossible or impractical circumstances).
本発明のポリウレタン変性エポキシ樹脂組成物が高弾性高強度を発現するのは、ポリウレタン変性エポキシ樹脂部がエポキシ樹脂組成物中において相分離するためである。 The polyurethane-modified epoxy resin composition of the present invention exhibits high elasticity and high strength because the polyurethane-modified epoxy resin portion undergoes phase separation within the epoxy resin composition.
相分離した島部が海部に相溶しないため、ポリウレタン変性エポキシ樹脂(A)は重量平均分子量3000以上であることが好ましく、成分(A)の中の後述のウレタン成分量、すなわち、ポリオール化合物とポリイソシアネート化合物の配合量が組成物全の合計量に対して、6重量%以上であることが好ましい。重量分子量については、より好ましくは3500以上であり、さらに好ましくは5000以上である。また、15000以下であるとよい。また望ましい相分離構造を形成させるために成分(A)の中の後述のウレタン成分量、すなわち、ポリオール化合物とポリイソシアネート化合物の配合量が組成物全体の合計量に対して、6.0重量%以上15重量%以下であるとよく、より好ましくは8.0重量%以上12重量%以下であるとよい。 Since the phase-separated island portion is not compatible with the sea portion, it is preferable that the polyurethane-modified epoxy resin (A) has a weight average molecular weight of 3000 or more, and the amount of the urethane component described later in component (A), i.e., the amount of the polyol compound and the polyisocyanate compound, is 6% by weight or more relative to the total amount of the entire composition. The weight molecular weight is more preferably 3500 or more, and even more preferably 5000 or more. It is also preferable that it is 15000 or less. In order to form a desirable phase-separated structure, the amount of the urethane component described later in component (A), i.e., the amount of the polyol compound and the polyisocyanate compound, is 6.0% by weight or more and 15% by weight or less relative to the total amount of the entire composition, and more preferably 8.0% by weight or more and 12% by weight or less.
本発明に使用するポリウレタン変性エポキシ樹脂(A)の製造方法としては、例えばエポキシ樹脂(a)としての(a-1)、(a-2)等を、ポリエーテルポリオール化合物としてのポリカーボネートジオール(b-1)、ポリカーボネートジオール以外のポリオール化合物(b-2)と、ポリイソシアネート化合物(c)と、および鎖長延長剤としての数平均分子量500未満の低分子量ポリオール化合物(d)との合計量に対して50~90重量%使用し、かつ(b-1)、(b-2)及びポリイソシアネート化合物(c)を、エポキシ樹脂(a)の存在下で反応させる(反応1)。この反応1では、(b-1)、(b-2)とポリイソシアネート化合物(c)との反応が優先的に起こり、ウレタンプレポリマー(P1)が生成する。その後、ウレタンプレポリマー(P1)とエポキシ樹脂(a)との反応が起こり、主にP1の両末端がエポキシ化されたウレタンプレポリマー(P2)が生成する。 The method for producing the polyurethane-modified epoxy resin (A) used in the present invention is, for example, to use (a-1), (a-2), etc. as the epoxy resin (a) in an amount of 50 to 90% by weight based on the total amount of the polycarbonate diol (b-1) as the polyether polyol compound, the polyol compound (b-2) other than the polycarbonate diol, the polyisocyanate compound (c), and the low molecular weight polyol compound (d) having a number average molecular weight of less than 500 as the chain extender, and to react (b-1), (b-2), and the polyisocyanate compound (c) in the presence of the epoxy resin (a) (reaction 1). In this reaction 1, the reaction between (b-1) and (b-2) and the polyisocyanate compound (c) occurs preferentially, and a urethane prepolymer (P1) is produced. Thereafter, the urethane prepolymer (P1) reacts with the epoxy resin (a), and a urethane prepolymer (P2) in which both ends of P1 are mainly epoxidized is produced.
上記ウレタンプレポリマー(P1)とエポキシ樹脂(a)の反応は、エポキシ樹脂(a)中のOH基(主に、低反応性な2級OH基)を、P1のNCO基と反応させてウレタン結合を生成させる必要から、反応温度は80~150℃の範囲に、反応時間は1~5時間の範囲とすることが好ましい。 The reaction between the urethane prepolymer (P1) and the epoxy resin (a) is carried out at a temperature in the range of 80 to 150°C and for a reaction time in the range of 1 to 5 hours, since it is necessary to react the OH groups (mainly low-reactivity secondary OH groups) in the epoxy resin (a) with the NCO groups in P1 to produce urethane bonds.
その後、必要に応じてウレタンプレポリマー(P1)中のNCO基と低分子量ポリオール化合物(d)中のOH基のモル比(P):(d)が0.9:1.0~1.0:0.9の範囲になるように低分子量ポリオール化合物(d)を加えてポリウレタン化反応させる(反応2)。なお、エポキシ樹脂のエポキシ基とポリオール化合物(d)のOH基はアルコール性OH基なので反応しない。 After that, if necessary, a low molecular weight polyol compound (d) is added so that the molar ratio (P):(d) of the NCO groups in the urethane prepolymer (P1) to the OH groups in the low molecular weight polyol compound (d) is in the range of 0.9:1.0 to 1.0:0.9, and a polyurethane reaction is carried out (reaction 2). Note that the epoxy groups of the epoxy resin and the OH groups of the polyol compound (d) do not react with each other because they are alcoholic OH groups.
反応2の反応温度は、80~150℃の範囲に、反応時間は1~5時間の範囲とすることが好ましいが、上記NCO基と低分子量ポリオール化合物(d)中のOH基との反応であるため反応1より穏やかな条件で良い。 The reaction temperature for reaction 2 is preferably in the range of 80 to 150°C, and the reaction time is preferably in the range of 1 to 5 hours, but because this is a reaction between the NCO groups and the OH groups in the low molecular weight polyol compound (d), milder conditions than those for reaction 1 may be used.
上記反応(反応1及び2)の過程においては、必要に応じて触媒を用いることができる。この触媒は、ウレタン結合の生成を十分に完結させる目的のために使用するものであり、エチレンジアミン等のアミン化合物やスズ系化合物、亜鉛系化合物などが例示できる。 In the above reactions (Reactions 1 and 2), a catalyst can be used as necessary. This catalyst is used for the purpose of fully completing the formation of urethane bonds, and examples of the catalyst include amine compounds such as ethylenediamine, tin compounds, and zinc compounds.
反応2では、残存する両末端もしくは片末端がNCOであるウレタンプレポリマー(P1)は、前記低分子量ポリオール化合物(d)と反応して鎖長が延長されポリウレタン化し、両末端がエポキシ樹脂(a)の付加物であるウレタンプレポリマー(P2)は、(d)成分とは未反応のまま存在する。
低分子量ポリオール化合物(d)を用いない場合は、ポリイソシアネート化合物(c)を加えた際に、末端のNCOは各水酸基と反応してウレタンプレポリマー(P2)となる。
本発明で使用するポリウレタン変性エポキシ樹脂は、エポキシ当量は180~1000g/eqの範囲、120℃における粘度は0.1~30Pa・sの範囲であることが好ましい。
In reaction 2, the remaining urethane prepolymer (P1) having NCO at both or one end reacts with the low-molecular-weight polyol compound (d) to elongate its chain and form a polyurethane, while the urethane prepolymer (P2) having both ends as an adduct of epoxy resin (a) remains unreacted with component (d).
When the low molecular weight polyol compound (d) is not used, when the polyisocyanate compound (c) is added, the terminal NCO reacts with each hydroxyl group to form a urethane prepolymer (P2).
The polyurethane-modified epoxy resin used in the present invention preferably has an epoxy equivalent in the range of 180 to 1000 g/eq and a viscosity at 120° C. in the range of 0.1 to 30 Pa·s.
ポリウレタン未変性エポキシ樹脂(B)の配合量を増減することによって、ポリウレタン変性エポキシ樹脂組成物中のポリウレタン濃度を増減することができる。ここで、エポキシ樹脂組成物中のポリウレタン濃度は、前記に例示した成分を用いれば、下記数式で計算されるが、各成分の種類はこれに限定されない。
ポリウレタン濃度={(b-1)+(b-2)+(c)+(d)}×100/{(A)+(B)+(C)}
なお、この場合、(A)=(a-1)+(a-2)+(b-1)+(b-2)+(c)+(d)である。
ここで、(a-1)、(a-2)、(b-1)、(b-2)、(c)、(d)、(A)、(B)、(C)は、対応する各成分の使用重量である。なお、その他の成分、例えば硬化促進剤(D)などを配合する場合、これらの他成分が分母に加算される。
本発明において、エポキシ樹脂組成物中のポリウレタン濃度は、好ましくは5~30重量%、より好ましくは6~20重量%である。
The polyurethane concentration in the polyurethane-modified epoxy resin composition can be increased or decreased by increasing or decreasing the amount of the polyurethane-unmodified epoxy resin (B). Here, the polyurethane concentration in the epoxy resin composition is calculated by the following formula when the above-mentioned components are used, but the types of each component are not limited thereto.
Polyurethane concentration={(b−1)+(b−2)+(c)+(d)}×100/{(A)+(B)+(C)}
In this case, (A) = (a-1) + (a-2) + (b-1) + (b-2) + (c) + (d).
Here, (a-1), (a-2), (b-1), (b-2), (c), (d), (A), (B), and (C) are the weights of the corresponding components used. When other components, such as a curing accelerator (D), are added, the amount of these other components is added to the denominator.
In the present invention, the concentration of polyurethane in the epoxy resin composition is preferably 5 to 30% by weight, more preferably 6 to 20% by weight.
また、本発明のポリウレタン変性エポキシ樹脂(A)において、前記の例示の場合、ウレタン成分濃度は、{(b-1)+(b-2)+(c)+(d)}/{(a-1)+(a-2)+(b-1)+(b-2)+(c)+(d)}をいう。本発明において、ウレタン成分濃度は15~60重量%であり、好ましくは18~45重量%であることがよい。ウレタン成分濃度が15重量%未満の場合には、ウレタンの分子量が低下し相分離時の島部の相溶性があがり十分な島サイズの形成が困難になり必要な物性が発現されないおそれがあり、反対に、60重量%を超過する場合にはウレタンの分子量が必要以上に増加し、ポリウレタン変性エポキシ樹脂およびその組成物の粘度が増加するため炭素繊維などへの含浸性が低下するおそれがある。 In the polyurethane-modified epoxy resin (A) of the present invention, in the above-mentioned example, the urethane component concentration is {(b-1) + (b-2) + (c) + (d)} / {(a-1) + (a-2) + (b-1) + (b-2) + (c) + (d)}. In the present invention, the urethane component concentration is 15 to 60% by weight, and preferably 18 to 45% by weight. If the urethane component concentration is less than 15% by weight, the molecular weight of the urethane decreases, the compatibility of the islands during phase separation increases, and it becomes difficult to form sufficient island sizes, and the required physical properties may not be expressed. Conversely, if it exceeds 60% by weight, the molecular weight of the urethane increases more than necessary, and the viscosity of the polyurethane-modified epoxy resin and its composition increases, which may reduce the impregnation of carbon fibers, etc.
本発明のポリウレタン変性エポキシ樹脂組成物に使用するポリウレタン未変性エポキシ樹脂(B)としては、ポリウレタン変性エポキシ樹脂(A)の原料として使用する上述したエポキシ樹脂(a)としての(a-1)、(a-2)等を、好ましく使用できる。すなわち、ポリウレタン変性されておらず、30℃で液状のエポキシ樹脂が好ましい。中でもビスフェノールA型エポキシ樹脂及び/またはビスフェノールF型エポキシ樹脂が入手の容易さ、価格と特性のバランスの良さの点から好ましい。(a-2)としては、トリメチロールプロパンのポリグリシジルエーテルが、粘度や相溶性、機械物性などの観点から好適である。 As the polyurethane-unmodified epoxy resin (B) used in the polyurethane-modified epoxy resin composition of the present invention, the above-mentioned epoxy resin (a) (a-1), (a-2), etc. used as the raw material for the polyurethane-modified epoxy resin (A) can be preferably used. That is, epoxy resins that are not polyurethane-modified and are liquid at 30°C are preferred. Among them, bisphenol A type epoxy resins and/or bisphenol F type epoxy resins are preferred from the viewpoints of ease of availability and good balance between price and properties. As (a-2), polyglycidyl ether of trimethylolpropane is preferred from the viewpoints of viscosity, compatibility, mechanical properties, etc.
本発明のポリウレタン変性エポキシ樹脂組成物には、ポリウレタン未変性エポキシ樹脂(B)として、粘度調整やTgを上げたりするために、3官能以上の多官能エポキシ樹脂を用いることもできる。多官能のエポキシ樹脂を用いると架橋密度が上がり、相分離状態が変化したり破壊靱性が失われたりするため、全組成物重量に対して0.1~10重量%にするのが好ましい。3官能以上の多官能エポキシ樹脂としては、例えば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、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタンのようなグリシジルアミン型エポキシ樹脂、テトラキス(グリシジルオキシフェニル)エタンやトリス(グリシジルオキシフェニル)メタンのようなグリシジルフェニルエーテル型エポキシ樹脂、トリグリシジルアミノフェノールのようなグリシジルアミン型かつグリシジルフェニルエーテル型エポキシ樹脂が挙げられる。さらにはこれらのエポキシ樹脂を変性したエポキシ樹脂、これらのエポキシ樹脂をブロム化したブロム化エポキシ樹脂などが挙げられる。 In the polyurethane-modified epoxy resin composition of the present invention, a polyfunctional epoxy resin having three or more functionalities can be used as the polyurethane-unmodified epoxy resin (B) to adjust the viscosity or increase the Tg. When a polyfunctional epoxy resin is used, the crosslink density increases, the phase separation state changes, and the fracture toughness is lost, so it is preferable to use 0.1 to 10% by weight based on the total composition weight. Examples of polyfunctional epoxy resins having three or more functionalities include phenol novolac type epoxy resins, cresol novolac type epoxy resins, glycidylamine type epoxy resins such as tetraglycidyldiaminodiphenylmethane, glycidylphenyl ether type epoxy resins such as tetrakis(glycidyloxyphenyl)ethane and tris(glycidyloxyphenyl)methane, and glycidylamine type and glycidylphenyl ether type epoxy resins such as triglycidylaminophenol. Furthermore, epoxy resins modified from these epoxy resins, brominated epoxy resins obtained by brominating these epoxy resins, and the like can be used.
この場合、25℃における粘度が10000mPa・s以下のエポキシ樹脂を用いることが好ましい。それにより組成物としての粘度が下がり、炭素繊維への含浸性が向上し、トウプリプレグや引抜き成型などに適用することが可能になる。例えば、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、脂環式エポキシ樹脂等が挙げられる。これらのエポキシ樹脂は、単独で用いることも2種以上を併用することもできる。 In this case, it is preferable to use an epoxy resin with a viscosity of 10,000 mPa·s or less at 25°C. This reduces the viscosity of the composition, improves the impregnation of carbon fibers, and enables application to tow prepregs and pultrusion molding. Examples include glycidyl ether type epoxy resins, glycidyl ester type epoxy resins, glycidyl amine type epoxy resins, and alicyclic epoxy resins. These epoxy resins can be used alone or in combination of two or more types.
グリシジルエーテル型エポキシ樹脂としては、例えば、グリセロールグリシジルエーテル型エポキシ樹脂、ブチルグリシジルエーテル型エポキシ樹脂、フェニ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ジグリシジルエーテル型エポキシ樹脂、(ポリ)プロピレングリコールジグリシジルエーテル型エポキシ樹脂、ネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル型エポキシ樹脂、1,4-ブタンジオールジグリシジルエーテル型エポキシ樹脂、1,6-ヘキサンジオールジグリシジルエーテル型エポキシ樹脂、トリメチロールプロパンボリグリシジルエーテル型エポキシ樹脂、ジグリセロールポリグリシジルエーテル型エポキシ樹脂、アリルグリシジルエーテル型エポキシ樹脂、2-エチルヘキシルグリシジルエーテル型エポキシ樹脂、p-(tert-ブチル)フェニルグリシジルエーテル型エポキシ樹脂、ドデシルグリシジルエーテル型エポキシ樹脂、トリデシルグリシジルエーテル型エポキシ樹脂等が挙げられる。これらのグリシジルエーテル型エポキシ樹脂は、単独で用いることも、2種以上を併用することもできる。 Examples of glycidyl ether type epoxy resins include glycerol glycidyl ether type epoxy resins, butyl glycidyl ether type epoxy resins, phenyl glycidyl ether type epoxy resins, (poly)ethylene glycol diglycidyl ether type epoxy resins, (poly)propylene glycol diglycidyl ether type epoxy resins, neopentyl glycol diglycidyl ether type epoxy resins, 1,4-butanediol diglycidyl ether type epoxy resins, 1,6-hexanediol diglycidyl ether type epoxy resins, trimethylolpropane polyglycidyl ether type epoxy resins, diglycerol polyglycidyl ether type epoxy resins, allyl glycidyl ether type epoxy resins, 2-ethylhexyl glycidyl ether type epoxy resins, p-(tert-butyl)phenyl glycidyl ether type epoxy resins, dodecyl glycidyl ether type epoxy resins, tridecyl glycidyl ether type epoxy resins, etc. These glycidyl ether type epoxy resins can be used alone or in combination of two or more.
グリシジルエステル型エポキシ樹脂としては、例えば、ヘキサヒドロ無水フタル酸ジグリシジルエステル型エポキシ樹脂、テロラヒドロ無水フタル酸ジグリシジルエステル型エポキシ樹脂、第3級脂肪酸モノグリシジルエステル型エポキシ樹脂、o-フタル酸ジグリシジルエステル型エポキシ樹脂、ダイマー酸グリシジルエステル型エポキシ樹脂等が挙げられる。これらのグリシジルエステル型エポキシ樹脂は、単独で用いることも2種以上を併用することもできる。 Examples of glycidyl ester type epoxy resins include hexahydrophthalic anhydride diglycidyl ester type epoxy resins, tetrahydrophthalic anhydride diglycidyl ester type epoxy resins, tertiary fatty acid monoglycidyl ester type epoxy resins, o-phthalic acid diglycidyl ester type epoxy resins, dimer acid glycidyl ester type epoxy resins, etc. These glycidyl ester type epoxy resins can be used alone or in combination of two or more types.
グリシジルアミン型エポキシ樹脂としては、例えば、m-(グリシドキシフェニル)ジグリシジルアミン型エポキシ樹脂、N,N-ジグリシジルアミノベンゼン型エポキシ樹脂、o-(N、N-ジグリシジルアミノ)トルエン型エポキシ樹脂等が挙げられる。これらのグリシジルアミン型エポキシ樹脂としては、単独で用いることも2種以上を併用することもできる。 Examples of glycidylamine type epoxy resins include m-(glycidoxyphenyl)diglycidylamine type epoxy resins, N,N-diglycidylaminobenzene type epoxy resins, o-(N,N-diglycidylamino)toluene type epoxy resins, etc. These glycidylamine type epoxy resins can be used alone or in combination of two or more types.
脂環式エポキシ樹脂としては、例えば、アリサイクリックジエポキシアジペート型エポキシ樹脂、3,4-エポキシシクロヘキシルメチルカルボキシレート型エポキシ樹脂、ビニルシクロヘキセンジオキシド型エポキシ樹脂、水素化ビスフェノールAジグリシジルエーテル型エポキシ樹脂等が挙げられる。 Examples of alicyclic epoxy resins include alicyclic diepoxy adipate type epoxy resins, 3,4-epoxycyclohexylmethylcarboxylate type epoxy resins, vinylcyclohexene dioxide type epoxy resins, and hydrogenated bisphenol A diglycidyl ether type epoxy resins.
硬化剤(C)は、貯蔵安定性に優れた一液化が可能で、かつ容易に入手できる点でジシアンジアミド(DICY)又はその誘導体を使用するとよい。誘導体としては例えば、グアニジン、ジシアンジアミジン、ジグアニド、メラミンなどが挙げられる。 As the hardener (C), it is recommended to use dicyandiamide (DICY) or its derivatives, since it can be made into a one-component with excellent storage stability and is easily available. Examples of derivatives include guanidine, dicyandiamide, diguanide, and melamine.
硬化剤(C)の配合量は、硬化剤がDICYの場合はポリウレタン変性エポキシ樹脂(A)とポリウレタン未変性エポキシ樹脂(B)を含む全エポキシ樹脂のエポキシ基のモル数とDICYの活性水素基のモル数の比が1:0.3~1:1.2の範囲、好ましくは1:0.9~1:1.1に設定することが、硬化物特性の点から好ましい。 When the curing agent (C) is DICY, the ratio of the number of moles of epoxy groups in the total epoxy resin including the polyurethane-modified epoxy resin (A) and the polyurethane-unmodified epoxy resin (B) to the number of moles of active hydrogen groups in DICY is preferably set in the range of 1:0.3 to 1:1.2, and more preferably 1:0.9 to 1:1.1, from the viewpoint of the properties of the cured product.
本発明のウレタン変性エポキシ樹脂組成物において、前記(A)成分が20~70重量%、であることがよい。また、前記(B)成分が30.0~80.0重量%であることがよい。さらに、前記(C)成分が0.1~20.0重量%、好ましくは1~10重量%であることがよい。 In the urethane-modified epoxy resin composition of the present invention, the (A) component is preferably 20 to 70% by weight. The (B) component is preferably 30.0 to 80.0% by weight. Furthermore, the (C) component is preferably 0.1 to 20.0% by weight, and more preferably 1 to 10% by weight.
本発明のウレタン変性エポキシ樹脂組成物は、さらに硬化促進剤(D)を含むことが出来る。硬化促進剤(D)としては、イミダゾール系硬化助剤が混合時の強化繊維への含浸性、粘度増加の抑制に加え、硬化時における耐熱性を満足させるために好適に用いられる。イミダゾール系硬化助剤としては、2-メチルイミダゾール、1,2-ジメチルイミダゾール、2-エチル-4-メチルイミダゾール、1-ベンジル-2-メチルイミダゾール、2-ウンデシルイミダゾール、2-ヘプタデシルイミダゾール、2-フェニルイミダゾール、2-フェニル-4-メチルイミダゾール、2-フェニル-4´,5´-ジヒドロキシメチルイミダゾール、1-シアノエチル-2-エチル-4-メチルイミダゾール等を用いることが好ましい。更に、トリアジン環を含有するイミダゾール化合物が好ましく、このような化合物としては、例えば、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、2,4-ジアミノ-6-[2´-エチル-4´-メチルイミダゾリル-(1´)]-エチル-s-トリアジン、2,4-ジアミノ-6-[2´-ウンデシルイミダゾリル-(1´)]-エチル-s-トリアジン等が挙げられる。なかでも短時間で硬化させることができるという観点から2,4-ジアミノ-6-[2´-メチルイミダゾリル-(1´)]-エチル-s-トリアジンがより好適に用いられる。トリアジン環を含有するイミダゾール化合物は、それぞれ単独または2種以上を組み合わせて用いてもよい。 The urethane-modified epoxy resin composition of the present invention can further contain a curing accelerator (D). As the curing accelerator (D), an imidazole-based curing assistant is preferably used to impregnate the reinforcing fibers during mixing, suppress the increase in viscosity, and satisfy the heat resistance during curing. As the imidazole-based curing assistant, it is preferable to use 2-methylimidazole, 1,2-dimethylimidazole, 2-ethyl-4-methylimidazole, 1-benzyl-2-methylimidazole, 2-undecylimidazole, 2-heptadecylimidazole, 2-phenylimidazole, 2-phenyl-4-methylimidazole, 2-phenyl-4',5'-dihydroxymethylimidazole, 1-cyanoethyl-2-ethyl-4-methylimidazole, etc. Furthermore, imidazole compounds containing a triazine ring are preferred, and examples of such compounds include 2,4-diamino-6-[2'-methylimidazolyl-(1')]-ethyl-s-triazine, 2,4-diamino-6-[2'-ethyl-4'-methylimidazolyl-(1')]-ethyl-s-triazine, and 2,4-diamino-6-[2'-undecylimidazolyl-(1')]-ethyl-s-triazine. Among these, 2,4-diamino-6-[2'-methylimidazolyl-(1')]-ethyl-s-triazine is more preferably used from the viewpoint of being able to cure in a short time. The imidazole compounds containing a triazine ring may be used alone or in combination of two or more kinds.
一方で用途や工法によっては前記のような短時間で硬化させる必要がない場合もある。そのような場合には、2,4-ジアミノ-6-[2´-メチルイミダゾリル-(1´)]-エチル-s-トリアジンイソシアヌル酸付加塩(2MA-OK)、等の結晶性イミダゾール化合物や3-(3,4-ジクロロフェニル)-1,1-ジメチル尿素(DCMU)等の尿素化合物を用いることができる。硬化促進剤(D)の配合量は、ポリウレタン変性エポキシ樹脂(A)とポリウレタン未変性エポキシ樹脂(B)を含む全エポキシ樹脂と硬化剤(C)の合計に対し、0.1~5wt%の範囲が好ましい。 On the other hand, depending on the application or construction method, there may be cases where it is not necessary to cure in such a short time as described above. In such cases, crystalline imidazole compounds such as 2,4-diamino-6-[2'-methylimidazolyl-(1')]-ethyl-s-triazine isocyanuric acid addition salt (2MA-OK) or urea compounds such as 3-(3,4-dichlorophenyl)-1,1-dimethylurea (DCMU) can be used. The amount of the curing accelerator (D) is preferably in the range of 0.1 to 5 wt % based on the total amount of the epoxy resin including the polyurethane-modified epoxy resin (A) and the polyurethane-unmodified epoxy resin (B) and the curing agent (C).
本発明のエポキシ樹脂組成物は用途や工法により必要に応じて離型剤(E)を含むことが出来る。離型剤は液状離型剤や固体(粉体)状離型剤などがあり、液状離型剤としては、低粘度な組成物においても均一に混ぜ合わせることができるように常温(10~30℃)で液体であればよい。また、離型剤を樹脂中に混合しておくことで、引き抜き成型性が向上する。このことにより、成型品における繊維の配向がよくなるために成型品の圧縮強度などの機械特性や、また、平滑な表面のために接着剤との密着性が増す。 The epoxy resin composition of the present invention can contain a release agent (E) as necessary depending on the application and processing method. The release agent can be liquid or solid (powder) release. Liquid release agents are sufficient as long as they are liquid at room temperature (10-30°C) so that they can be mixed uniformly into low-viscosity compositions. Furthermore, mixing a release agent into the resin improves the pultrusion moldability. This improves the orientation of the fibers in the molded product, improving mechanical properties such as the compressive strength of the molded product, and also improves adhesion to adhesives due to the smooth surface.
離型剤の配合量としては、全エポキシ樹脂100質量部に対して、0.1~6質量部であることが好ましい。より好ましくは0.1~4質量部である。0.1質量部未満であると、十分な離型性が得られないことがある。また6質量部を超えて添加すると、成型品の強度が低下したり、密着性や接着性が低下することがある。離型剤は、それぞれ単独または2種以上を組み合わせてもよい。 The amount of release agent to be added is preferably 0.1 to 6 parts by mass relative to 100 parts by mass of the total epoxy resin. More preferably, it is 0.1 to 4 parts by mass. If the amount is less than 0.1 part by mass, sufficient release properties may not be obtained. If the amount is more than 6 parts by mass, the strength of the molded product may decrease, and the adhesion and bonding properties may decrease. The release agents may be used alone or in combination of two or more types.
このような液状離型剤としては、エポキシ樹脂組成物と相分離せず、かつ金型の温度で蒸発や分解しないものなら特に限定されない。具体的な支配品としては、有機酸やグリセドを重縮合した巴工業株式会社製MOLDWIZ INT-1324、1324B、1836、1846、1850、1854、1882などが挙げられる。 There are no particular limitations on such liquid release agents, so long as they do not phase separate from the epoxy resin composition and do not evaporate or decompose at the temperature of the mold. Specific examples of such liquid release agents include MOLDWIZ INT-1324, 1324B, 1836, 1846, 1850, 1854, and 1882, manufactured by Tomoe Engineering Co., Ltd., which are produced by polycondensation of organic acids and glycerides.
また固体(粉体)状離型剤としては、動物系ワックスとしてはシェラックワックス、蜜ろう、鯨ろう、植物系ワックスとしてはカルナバワックス、はぜろう、鉱物系ワックスとしては、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、合成系ワックスとしては、フィッシャートロプシュワックス、ポリエチレンワックス、ポリプロピレンワックスなどがあり、エポキシ樹脂組成物中に均一に分散できるよう粉体状であることが望ましく、かつ成型、硬化時の温度で融解、溶解する性状であることが望ましい。 As for solid (powder) release agents, animal waxes include shellac wax, beeswax, and spermaceti, vegetable waxes include carnauba wax and spermaceti, mineral waxes include paraffin wax and microcrystalline wax, and synthetic waxes include Fischer-Tropsch wax, polyethylene wax, and polypropylene wax. It is desirable for these to be in powder form so that they can be uniformly dispersed in the epoxy resin composition, and also for them to melt and dissolve at the temperatures during molding and curing.
本発明のエポキシ樹脂組成物は用途や工法により必要に応じてゴム成分(F)を含むことが出来る。ゴム成分としてはアクリロニトリルとブタジエンを原料とする共重合体がエポキシ樹脂に対する溶解性に優れるため好ましく用いられるが、樹脂組成物の粘度が上がりやすいため、エポキシ樹脂に不溶なゴム成分を含有する粒子が好ましい。架橋したゴム粒子そのものを用いることもできるが、特にエポキシ樹脂不溶のゴム粒子の表面を非ゴム成分で被覆したコアシェル構造を有するゴム粒子が好ましい。この場合、被覆する成分はポリメタクリル酸メチルのようにエポキシ樹脂に溶解、あるいは膨潤するものでもよく、むしろ粒子のエポキシ樹脂中への分散が良好になるため好ましい。 The epoxy resin composition of the present invention can contain a rubber component (F) as necessary depending on the application and construction method. A copolymer made from acrylonitrile and butadiene is preferably used as the rubber component because it has excellent solubility in epoxy resin, but since the viscosity of the resin composition is likely to increase, particles containing a rubber component insoluble in epoxy resin are preferred. Crosslinked rubber particles themselves can also be used, but rubber particles having a core-shell structure in which the surface of epoxy resin-insoluble rubber particles is coated with a non-rubber component are particularly preferred. In this case, the coating component may be one that dissolves or swells in epoxy resin, such as polymethyl methacrylate, and is preferred because it improves the dispersion of the particles in the epoxy resin.
ゴム成分は平均粒子径が体積平均粒子径で1~500nmであることが好ましく、3~300nmであればさらに好ましい。ゴム成分(F)の配合量は、組成物中に1~15重量%配合されることが好ましく、3~12重量%であればさらに好ましい。ゴム成分の添加により、成型後の繊維強化複合材料に必要とされる破壊靭性が得られやすい。 The rubber component preferably has a volume average particle size of 1 to 500 nm, more preferably 3 to 300 nm. The amount of rubber component (F) in the composition is preferably 1 to 15% by weight, more preferably 3 to 12% by weight. The addition of the rubber component makes it easier to obtain the fracture toughness required for the molded fiber-reinforced composite material.
本発明の硬化物は、前記エポキシ樹脂組成物を硬化反応させて得られるものである。前記硬化物を得る方法としては、一般的な硬化性樹脂組成物の硬化方法に準拠すればよく、例えば、加熱温度条件は、組み合わせる硬化剤の種類や用途等によって、適宜選択すればよい。例えば、前記エポキシ樹脂組成物を室温~250℃程度の温度範囲で加熱する方法が挙げられる。成型方法なども硬化性樹脂組成物の一般的な方法を用いることが可能である。 The cured product of the present invention is obtained by subjecting the epoxy resin composition to a curing reaction. The method for obtaining the cured product may conform to a general method for curing a curable resin composition, and for example, the heating temperature conditions may be appropriately selected depending on the type of curing agent to be combined and the intended use. For example, the epoxy resin composition may be heated in a temperature range of room temperature to about 250°C. For molding, a general method for curable resin compositions may also be used.
本発明の硬化物は、優れた耐熱性を有し、引張弾性、引張強度に優れたものとなることから、前記硬化物におけるガラス転移温度(Tg)が105℃以上でありことが好ましく、引張弾性率が3.2GPa以上であることが好ましく、また、引張強度が80MPa以上であることが好ましい。 The cured product of the present invention has excellent heat resistance, tensile elasticity, and tensile strength, so the glass transition temperature (Tg) of the cured product is preferably 105°C or higher, the tensile modulus is preferably 3.2 GPa or higher, and the tensile strength is preferably 80 MPa or higher.
本発明の繊維強化複合材料とは、本発明のエポキシ樹脂組成物を強化繊維に含侵させ繊維強化複合材料用組成物を得てそれを成型硬化させることで得ることが出来る。ここで、強化繊維は、有撚糸、解撚糸、または無撚糸などいずれでも良いが、解撚糸や無撚糸が、繊維強化複合材料において優れた成型性を有することから好ましい。さらに、強化繊維の形態は、繊維方向が一方向に引き揃えたものや、織物が使用できる。織物では、平織り、朱子織りなどから、使用する部位や用途に応じて自由に選択することができる。具体的には、機械強度や耐久性に優れることから、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、炭化ケイ素繊維などが挙げられ、これらは単独で用いることも2種以上を併用することもできる。これらの中でもとりわけ成型品の強度が良好なものとなる点から炭素繊維が好ましく、かかる、炭素繊維は、ポリアクリロニトリル系、ピッチ系、レーヨン系などの各種のものが使用できる。 The fiber-reinforced composite material of the present invention can be obtained by impregnating the epoxy resin composition of the present invention into reinforcing fibers to obtain a fiber-reinforced composite material composition, which is then molded and cured. The reinforcing fibers may be any of twisted, untwisted, or non-twisted yarns, but untwisted or non-twisted yarns are preferred because they have excellent moldability in fiber-reinforced composite materials. Furthermore, the form of the reinforcing fibers may be one in which the fibers are aligned in one direction, or a woven fabric. For woven fabrics, plain weave, satin weave, and other fabrics may be freely selected depending on the part to be used and the application. Specifically, carbon fiber, glass fiber, aramid fiber, boron fiber, alumina fiber, silicon carbide fiber, and the like are excellent in mechanical strength and durability, and these may be used alone or in combination of two or more types. Among these, carbon fiber is particularly preferred because it provides good strength to the molded product, and various types of carbon fiber such as polyacrylonitrile, pitch, and rayon can be used.
本発明のエポキシ樹脂組成物から繊維強化複合材料を得る方法としては、特に限定されないが、例えば、前記エポキシ樹脂組成物を構成する各成分を均一に混合してワニスを製造し、プリプレグとして、例えば連続した炭素繊維を一方向に並べシート状にしたものや炭素繊維織物などの機材に樹脂を含浸させたもの、炭素繊維基材の少なくとも片方の表面に樹脂層を配置したもの、またその前記表面にさらに繊維層を配置したもの、また前記で得られたワニスに強化繊維を一方向に引き揃えた一方向強化繊維を浸漬させる方法(プルトリュージョン法やフィラメントワインディング法での硬化前の状態、トウプリプレグ)、また強化繊維のシートや織物を重ねて金型内にセットし、その後金型内に樹脂を注入し圧力をかけて含浸または内部を減圧させて含浸させる方法(RTM法での硬化前の状態)等が挙げられる。 The method for obtaining a fiber-reinforced composite material from the epoxy resin composition of the present invention is not particularly limited, but examples include a method in which each component constituting the epoxy resin composition is uniformly mixed to produce a varnish, and a prepreg is produced by impregnating a material such as a sheet in which continuous carbon fibers are arranged in one direction or a carbon fiber fabric with resin, a carbon fiber substrate with a resin layer on at least one surface, and a fiber layer is further arranged on the surface, a method in which unidirectional reinforcing fibers in which reinforcing fibers are aligned in one direction are immersed in the varnish obtained above (state before curing in the pultrusion method or filament winding method, tow prepreg), a method in which sheets or fabrics of reinforcing fibers are stacked and set in a mold, and then resin is injected into the mold and impregnated by applying pressure or by reducing the pressure inside (state before curing in the RTM method), etc.
本発明の繊維強化複合材料は、成型物全体積に対する強化繊維の体積含有率が40%~85%であることが好ましく、強度の点から50~75%の範囲であることがさらに好ましい。体積含有率が40%未満の場合、前記エポキシ樹脂組成物の含有量が多すぎて得られる硬化物の弾性率や強度が不足したり、要求される諸特性を満たすことができなかったりする場合がある。また体積含有率が85%を超えると、強化繊維中の樹脂が不足し接着性不足やボイドの発生などにつながり、硬化物の弾性率や強度が不足したり、界面密着性が低下してしまう場合がある。 In the fiber-reinforced composite material of the present invention, the volume content of the reinforcing fibers relative to the total volume of the molded product is preferably 40% to 85%, and from the viewpoint of strength, it is more preferable that it is in the range of 50 to 75%. If the volume content is less than 40%, the content of the epoxy resin composition is too high, and the resulting cured product may have insufficient elastic modulus or strength, or may not be able to satisfy the required properties. If the volume content exceeds 85%, the resin in the reinforcing fibers may be insufficient, leading to insufficient adhesion and the occurrence of voids, and the cured product may have insufficient elastic modulus or strength, or may have reduced interfacial adhesion.
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明する。本発明はこの具体例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。 Next, the present invention will be specifically described based on examples. The present invention is not limited to these specific examples, and any modifications or changes are possible without departing from the gist of the present invention.
物性の評価方法は、次のとおりである。
(1)IRによる残存NCO基の有無判定: 得られたポリウレタン変性エポキシ樹脂0.05gを10mlのテトラヒドロフランに溶解した後、マイクロシュパーテル平板部を用いてKBr板上に塗り付け、室温で15分間乾燥してテトラヒドロフランを蒸発させてIR測定用試料を調製した。これをパーキンエルマー社製FT-IR装置Spectrum-Oneにセットし、NCO基の特性吸収帯である2270cm-1の伸縮振動吸収スペクトルが消失した場合に残存NCO基なし、と判定した。
(2)エポキシ当量: JIS K 7236 に従って定量した。
(3)水酸基当量: ジメチルホルムアミド25mlを200mlガラス栓付三角フラスコにとり、水酸基11mg/当量以下を含む試料を精秤して加え溶解させる。1mol/L-フェニルイソシアネートトルエン溶液20mlとジブチルスズマレート触媒溶液1mlとをそれぞれピペットで加え、よく振り混ぜて混合し、密栓して30~60分間反応させる。反応終了後2mol/L-ジブチルアミントルエン溶液20mlを加えよく振り混ぜて混合し、15分間放置して過剰のフェニルイソシアネートと反応させる。次に、メチルセロソルブ30mlとブロムクレゾールグリーン指示薬0.5mlとを加え、過剰のアミンを標定済の過塩素酸メチルセロソルブ溶液で滴定する。指示薬は青から緑さらに黄色へと変化するので、黄色になった最初の点を終点とし、以下の式i、式iiを用いて水酸基当量を求めた。
水酸基当量 (g/eq)=(1000×W)/C(S-B)・・・(i)
C:過塩素酸メチルセロソルブ溶液の濃度 mol/L
W:試料量 (g)
S:過塩素酸メチルセロソルブ溶液の滴定量 (ml)
B:滴定の際のブランクテストに要した過塩素酸メチルセロソルブ溶液の滴定量 (ml)
C=(1000×w)/{121×(s-b)}・・・(ii)
w:標定のために秤取したトリス-(ハイドロキシメチル)-アミノメタンの採取量 (g)
s:トリス-(ハイドロキシメチル)-アミノメタンの滴定に要した過塩素酸メチルセロソルブ溶液の滴定量 (ml)
b:標定の際のブランクテストに要した過塩素酸メチルセロソルブ溶液の滴定量 (ml)
(4)水酸基価:JISK1557を参考にした測定方法で測定した。
(5)粘度:25℃における粘度の値は、E型粘度計コーンプレートタイプを用いて測定した。本発明のエポキシ樹脂組成物を調製し、その内0.8mLを測定に用い、測定開始から60秒経過後の値を粘度の値とした。
The physical properties were evaluated as follows.
(1) Judgment of the presence or absence of residual NCO groups by IR: 0.05 g of the obtained polyurethane-modified epoxy resin was dissolved in 10 ml of tetrahydrofuran, and then applied to a KBr plate using a Micro Spatula flat plate, and dried at room temperature for 15 minutes to evaporate the tetrahydrofuran to prepare a sample for IR measurement. This was set in a PerkinElmer FT-IR device Spectrum-One, and it was judged that there were no residual NCO groups when the stretching vibration absorption spectrum at 2270 cm -1 , which is the characteristic absorption band of the NCO group, disappeared.
(2) Epoxy equivalent: Quantified according to JIS K 7236.
(3) Hydroxyl equivalent: 25 ml of dimethylformamide is placed in a 200 ml glass-stoppered Erlenmeyer flask, and a sample containing 11 mg/equivalent or less of hydroxyl is precisely weighed and added to dissolve. 20 ml of 1 mol/L-phenylisocyanate toluene solution and 1 ml of dibutyltin maleate catalyst solution are added with a pipette, shaken well to mix, and then sealed to react for 30 to 60 minutes. After the reaction is complete, 20 ml of 2 mol/L-dibutylamine toluene solution is added, shaken well to mix, and left to stand for 15 minutes to react with the excess phenylisocyanate. Next, 30 ml of methyl cellosolve and 0.5 ml of bromocresol green indicator are added, and the excess amine is titrated with a standardized methyl cellosolve perchlorate solution. The indicator changes from blue to green and then to yellow, so the first point at which it turns yellow is taken as the end point, and the hydroxyl equivalent is calculated using the following formulas I and II.
Hydroxyl equivalent (g/eq)=(1000×W)/C(S−B) (i)
C: Concentration of methyl perchlorate cellosolve solution mol/L
W: sample amount (g)
S: Titration volume of methyl perchlorate cellosolve solution (ml)
B: Amount of methyl perchlorate cellosolve solution required for blank test during titration (ml)
C = (1000 × w) / {121 × (s-b)} ... (ii)
w: Amount of tris-(hydroxymethyl)-aminomethane weighed for standardization (g)
s: Amount of methyl perchlorate cellosolve solution required for titration of tris-(hydroxymethyl)-aminomethane (ml)
b: Titration volume of methyl perchlorate cellosolve solution required for blank test during standardization (ml)
(4) Hydroxyl value: Measured by a method based on JIS K1557.
(5) Viscosity: The viscosity value at 25° C. was measured using a cone-plate type E-type viscometer. The epoxy resin composition of the present invention was prepared, and 0.8 mL of the composition was used for measurement. The value 60 seconds after the start of measurement was recorded as the viscosity value.
(6)ガラス転移温度(Tg):昇温速度10℃/分の条件下、示差走査熱量計(DSC)を用いてベースラインと変曲点での接線の交点とをガラス転移温度(Tg)として導出した。
(7)引張試験: JIS K 7161の形状に金型注型によって成形した硬化物を試験片とし、万能試験機を用いて、室温23℃下で引張試験を行い、引張強度、引張伸度、引張弾性率を各々測定した。
(8)重量平均分子量(Mw):下記条件のゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)により測定した。
測定装置:東ソー株式会社製 HLC-8420GPC
カラム:TSKgel SuperMultiporeHZ-M×2
測定条件:温度40℃、溶離液THF、流量0.35mL/min
試料:ポリスチレンSRM706a
(9)破壊靭性:JIS K 6911の形状に金型注型によって成形した硬化物を試験片とし、万能試験機を用いて、室温23℃下、クロスヘッドスピード0.5mm/分の条件で試験を行った。尚、試験前における試験片へのノッチ(刻み目)の作成は、剃刀の刃を試験片にあて、ハンマーで剃刀の刃に衝撃を与えることで行った。
(6) Glass transition temperature (Tg): The glass transition temperature (Tg) was determined by measuring the intersection of the tangent line at the base line and the inflection point with a differential scanning calorimeter (DSC) at a heating rate of 10° C./min.
(7) Tensile test: Test pieces were prepared by molding the cured products into the shape specified in JIS K 7161 using a mold, and a tensile test was carried out at room temperature of 23° C. using a universal testing machine to measure the tensile strength, tensile elongation, and tensile modulus.
(8) Weight average molecular weight (Mw): Measured by gel permeation chromatography (GPC) under the following conditions.
Measuring device: Tosoh Corporation HLC-8420GPC
Column: TSKgel SuperMultiporeHZ-M x 2
Measurement conditions: temperature 40°C, eluent THF, flow rate 0.35 mL/min
Sample: Polystyrene SRM706a
(9) Fracture toughness: Test pieces were prepared from cured products molded by casting into a mold in the shape specified in JIS K 6911, and tested using a universal testing machine at a room temperature of 23° C. and a crosshead speed of 0.5 mm/min. Before testing, notches (indentations) were made in the test pieces by applying a razor blade to the test pieces and impacting the razor blade with a hammer.
使用した原料は次のとおりである。
成分A
エポキシ樹脂(a-1):
日鉄ケミカル&マテリアル製エポトートYDF-170、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、エポキシ当量170g/eq、水酸基当量2600g/eq、液状
エポキシ樹脂(a-2):
日鉄ケミカル&マテリアル製エポトートYH-300、トリメチロールプロパンのポリグリシジルエーテル、エポキシ当量142g/eq、水酸基当量837g/eq、液体
The raw materials used were as follows:
Component A
Epoxy resin (a-1):
Epotohto YDF-170 manufactured by Nippon Steel Chemical & Material, bisphenol F type epoxy resin, epoxy equivalent 170 g/eq, hydroxyl equivalent 2600 g/eq, liquid epoxy resin (a-2):
Nippon Steel Chemical & Material Co., Ltd. Epotohto YH-300, polyglycidyl ether of trimethylolpropane, epoxy equivalent 142g/eq, hydroxyl equivalent 837g/eq, liquid
ポリカーボネートジオール(b-1):
三菱ケミカル製ベネビオールHS0840H、数平均分子量800、水酸基当量400g/eq
Polycarbonate diol (b-1):
Benebiol HS0840H manufactured by Mitsubishi Chemical, number average molecular weight 800, hydroxyl equivalent 400g/eq
ポリオール化合物(b-2):
ADEKA製アデカポリエーテルP-2000、ポリプロピレングリコール、数平均分子量2000、水酸基当量1000g/eq
ADEKA ADEKA POLYETHER P-2000, polypropylene glycol, number average molecular weight 2000, hydroxyl equivalent 1000g/eq
ポリイソシアネート化合物(c):
三井化学製コスモネートPH、4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)
Cosmonate PH, 4,4'-diphenylmethane diisocyanate (MDI) manufactured by Mitsui Chemicals
成分B
日鉄ケミカル&マテリアル製エポトートYD-128、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、エポキシ当量187g/eq、液状
日鉄ケミカル&マテリアル製エポトートYDF-170、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、エポキシ当量170g/eq、液状
日鉄ケミカル&マテリアル製エポトートYH-300、トリメチロールプロパンのポリグリシジルエーテル、エポキシ当量142g/eq、液体
Component B
Nippon Steel Chemical & Material Co., Ltd. Epotohto YD-128, bisphenol A type epoxy resin, epoxy equivalent 187g/eq, liquid Nippon Steel Chemical & Material Co., Ltd. Epotohto YDF-170, bisphenol F type epoxy resin, epoxy equivalent 170g/eq, liquid Nippon Steel Chemical & Material Co., Ltd. Epotohto YH-300, polyglycidyl ether of trimethylolpropane, epoxy equivalent 142g/eq, liquid
成分C:
EVONIK製DICYANEX1400F、ジシアンジアミド
Component C:
EVONIK DICYANEX1400F, dicyandiamide
成分D:
四国化成工業製結晶性イミダゾール、キュアゾール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
成分F:
株式会社カネカ製MX-154、コアシェルゴム配合量40wt%、BPA型エポキシ樹脂配合量60wt%、平均粒径150~200nm
Component D:
Crystalline imidazole, Curesol 2MZA-PW, 2,4-diamino-6-[2'-methylimidazolyl-(1')]-ethyl-s-triazine manufactured by Shikoku Chemical Industry Co., Ltd. Component F:
Kaneka MX-154, core-shell rubber content 40 wt%, BPA type epoxy resin content 60 wt%, average particle size 150-200 nm
実施例1
エポキシ樹脂(a-1)としてエポトートYDF-170、エポキシ樹脂(a-2)としてエポトートYH-300、ポリカーボネートジオールとして三菱ケミカルHS0840H、ポリイソシアネート(c)としてコスモネートPH(MDI)を使用した。これらの使用量(単位:重量部)を表1に示す。
窒素導入管、攪拌機、温度調節機を備えた1000ml四つ口セパラブルフラスコに、エポトートYDF-170、エポトートYH-300、HS0840Hを仕込み、120℃に加温し120分間撹拌混合した。次にコスモネートPHを添加し、120℃で2時間反応させて、ポリウレタン変性エポキシ樹脂を得た(UE1)。
反応が完結していることは、IR測定により、NCO基の吸収スペクトルが消失したことで確認した。得られたポリウレタン変性エポキシ樹脂のエポキシ当量は195g/eq、重量平均分子量は5800であった。
Example 1
The epoxy resin (a-1) used was Epotohto YDF-170, the epoxy resin (a-2) used was Epotohto YH-300, the polycarbonate diol used was Mitsubishi Chemical HS0840H, and the polyisocyanate (c) used was Cosmonate PH (MDI). The amounts used (unit: parts by weight) are shown in Table 1.
Epotohto YDF-170, Epotohto YH-300, and HS0840H were charged into a 1000 ml four-neck separable flask equipped with a nitrogen inlet tube, a stirrer, and a temperature controller, and the mixture was heated to 120° C. and stirred and mixed for 120 minutes. Cosmonate PH was then added, and the mixture was reacted at 120° C. for 2 hours to obtain a polyurethane-modified epoxy resin (UE1).
The completion of the reaction was confirmed by the disappearance of the absorption spectrum of the NCO group by IR measurement. The epoxy equivalent of the obtained polyurethane-modified epoxy resin was 195 g/eq and the weight average molecular weight was 5,800.
実施例2~5、比較例1~5
原料仕込み組成を表1のとおりとした以外は、実施例1と同じ手順で反応を行い、ポリウレタン変性エポキシ樹脂(UE2~UE10)を得た。エポキシ当量は、UE2が222g/eq、UE3が213g/eq、UE4が179g/eq、UE5が202g/eq、UE6が215g/eq、UE7が209g/eq、UE8が242g/eq、UE9が253g/eq、UE10が206g/eqであった。
Examples 2 to 5, Comparative Examples 1 to 5
The reaction was carried out in the same manner as in Example 1, except that the raw material charging compositions were as shown in Table 1, to obtain polyurethane-modified epoxy resins (UE2 to UE10). The epoxy equivalents were 222 g/eq for UE2, 213 g/eq for UE3, 179 g/eq for UE4, 202 g/eq for UE5, 215 g/eq for UE6, 209 g/eq for UE7, 242 g/eq for UE8, 253 g/eq for UE9, and 206 g/eq for UE10.
次に、上述した実施例1~5、比較例1~5で得られたポリウレタン変性エポキシ樹脂を使用したエポキシ樹脂組成物及びエポキシ樹脂硬化物の実施例を示す。その結果を表2にまとめて示す。 Next, examples of epoxy resin compositions and cured epoxy resin products using the polyurethane-modified epoxy resins obtained in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 5 are shown. The results are summarized in Table 2.
実施例6
ポリウレタン変性エポキシ樹脂(A)として、実施例1で得たポリウレタン変性エポキシ樹脂UE1、ポリウレタン未変性エポキシ樹脂(B)としてエポトートYD-128、エポトートYDF-170、エポトートYH-300、硬化剤(C)としてジシアンジアミド、硬化促進剤(D)として2MZA-PWを、各々表2記載の配合で200mlの専用ディスポカップに仕込み、自転・公転ラボ用真空プラネタリーミキサーを用いて5分間真空脱泡しつつ攪拌混合し、液状の樹脂組成物を得た。ここで、エポキシ基とジシアンジアミドのモル比は、1.0:0.5とし、ポリウレタン変性エポキシ樹脂組成物を140g調製した。
次に、この液状樹脂組成物をJISK7161の試験片寸法の溝形状を有する金型に注型した。引張試験用試験片寸法はダンベル型、破壊靭性試験片寸法は100mmL×10mmW×4mmtおよびDMA試験用試験片寸法は100mmL×10mmW×2mmtの金型もしくはシリコン製枠に注液し、測定に適したサイズにカットして用いた。このときの注型性は、余裕をもって十分注型可能なレベルであった。次に、樹脂組成物を事前に130℃で加温しておいた金型に注液し、その後熱風オーブン中に入れ、130℃で10分加熱硬化を行い、エポキシ樹脂硬化物試験片を調製した。この試験片を使用した試験結果を表2に示す。
Example 6
The polyurethane-modified epoxy resin UE1 obtained in Example 1 as the polyurethane-modified epoxy resin (A), Epotohto YD-128, Epotohto YDF-170, and Epotohto YH-300 as the polyurethane-unmodified epoxy resin (B), dicyandiamide as the curing agent (C), and 2MZA-PW as the curing accelerator (D) were charged in a 200 ml dedicated disposable cup in the formulations shown in Table 2, and the mixture was stirred and mixed while vacuum degassing for 5 minutes using a vacuum planetary mixer for rotation and revolution laboratory to obtain a liquid resin composition. Here, the molar ratio of epoxy groups to dicyandiamide was 1.0:0.5, and 140 g of a polyurethane-modified epoxy resin composition was prepared.
Next, this liquid resin composition was poured into a mold having a groove shape of the test piece dimensions of JIS K7161. The test piece dimensions for the tensile test were dumbbell-shaped, the fracture toughness test piece dimensions were 100 mmL x 10 mmW x 4 mmt, and the DMA test piece dimensions were 100 mmL x 10 mmW x 2 mmt. The liquid resin composition was poured into a mold or silicon frame, and cut to a size suitable for the measurement. The pourability at this time was at a level that allowed for sufficient pouring with a margin. Next, the resin composition was poured into a mold that had been preheated at 130°C, and then placed in a hot air oven and heated and cured at 130°C for 10 minutes to prepare an epoxy resin cured product test piece. The test results using this test piece are shown in Table 2.
実施例7~16、比較例6~11
原料仕込み量を表2のとおりとした以外は、実施例1と同じ手順で反応を行い、樹脂組成物および硬化物を得た。これらの試験片を使用した試験結果を表2に示す。
本発明のポリウレタン変性エポキシ樹脂部を用いることで130℃10minという短時間の硬化条件で硬化が完了し、低粘度で含浸性に優れ、十分な耐熱性を示しながら、優れた引張弾性、引張強度を有する樹脂組成物を得ることができる。
Examples 7 to 16, Comparative Examples 6 to 11
A resin composition and a cured product were obtained by carrying out the reaction in the same manner as in Example 1, except that the amounts of raw materials charged were as shown in Table 2. The test results using these test pieces are shown in Table 2.
By using the polyurethane-modified epoxy resin part of the present invention, curing can be completed within a short curing condition of 130°C for 10 minutes, and a resin composition can be obtained that has low viscosity, excellent impregnation properties, sufficient heat resistance, and excellent tensile elasticity and tensile strength.
本発明のポリウレタン変性エポキシ樹脂組成物は、低粘度であり繊維含浸性に優れ、ガラス転移温度の低下を抑制しつつ優れた引張弾性率と引張強度を有するため、産業用、スポーツレジャー用、土木建築用などの複合材料用のマトリックス樹脂や接着剤の配合樹脂などに有用である。 The polyurethane-modified epoxy resin composition of the present invention has low viscosity, excellent fiber impregnation, and excellent tensile modulus and tensile strength while suppressing the decrease in glass transition temperature, making it useful as a matrix resin for composite materials for industrial, sports and leisure, civil engineering and construction, etc., and as a compounding resin for adhesives.
Claims (9)
(A)ポリオール由来の構造とポリイソシアネート由来の構造とを有し、且つ、分子鎖の末端にイソシアネート基とを有する構造が、分子内に平均して2つ以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂の水酸基と反応した構造を有し、
前記ポリオール由来の構造には、分子内に環状エーテル構造とカーボネート基とを含む構造単位を有するポリカーボネートジオールに由来する構造を55モル%以上含み、
前記分子内に平均して2つ以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂のモル数の1/3以上が、脂肪族型エポキシ樹脂であり、
ウレタン成分濃度が15~60重量%であるポリウレタン変性エポキシ樹脂、
(B)ポリウレタン未変性エポキシ樹脂、及び
(C)硬化剤
を含み、組成物全体に対して、成分(A)を20~70重量%、成分(B)を30.0~80.0重量%、成分(C)を0.1~20.0重量%含有することを特徴とするポリウレタン変性エポキシ樹脂組成物。 The following components (A) to (C):
(A) a polyol-derived structure and a polyisocyanate-derived structure, in which a structure having an isocyanate group at a molecular chain end has reacted with a hydroxyl group of an epoxy resin having two or more epoxy groups on average in the molecule;
The polyol-derived structure contains 55 mol % or more of a structure derived from a polycarbonate diol having a structural unit containing a cyclic ether structure and a carbonate group in the molecule,
one-third or more of the number of moles of the epoxy resin having two or more epoxy groups in an average molecule is an aliphatic epoxy resin,
A polyurethane-modified epoxy resin having a urethane component concentration of 15 to 60% by weight.
A polyurethane-modified epoxy resin composition comprising (B) a polyurethane unmodified epoxy resin, and (C) a curing agent, the polyurethane-modified epoxy resin composition containing 20 to 70% by weight of component (A), 30.0 to 80.0% by weight of component (B), and 0.1 to 20.0% by weight of component (C) based on the total weight of the composition.
前記ポリオール由来の構造には、分子内に環状エーテル構造とカーボネート基とを含む構造単位を有するポリカーボネートジオールに由来する構造を55モル%以上含み、
前記分子内に平均して2つ以上のエポキシ基を有するエポキシ樹脂のモル数の1/3以上が、脂肪族型エポキシ樹脂であり、
ウレタン成分濃度が15~60重量%であるポリウレタン変性エポキシ樹脂。
a polyol-derived structure and a polyisocyanate-derived structure, and a structure having an isocyanate group at a molecular chain end, the structure being reacted with a hydroxyl group of an epoxy resin having two or more epoxy groups on average in the molecule;
The polyol-derived structure contains 55 mol % or more of a structure derived from a polycarbonate diol having a structural unit containing a cyclic ether structure and a carbonate group in the molecule,
one-third or more of the number of moles of the epoxy resin having two or more epoxy groups in an average molecule is an aliphatic epoxy resin,
A polyurethane-modified epoxy resin having a urethane component concentration of 15 to 60% by weight.
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