JP4544656B2 - Prepreg and fiber reinforced composites - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、優れた強度特性、耐熱性、耐環境性を有した繊維強化複合材料を製造するに当たって好適なプリプレグ、および該プリプレグを積層および加熱により硬化して成形されてなる、特に航空機用構造材料に好ましく適用できる繊維強化複合材料に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
比強度、比弾性率に優れる炭素繊維を補強繊維に、該炭素繊維と濡れ性、接着性が良好なエポキシ樹脂をマトリクス樹脂に使用する炭素繊維強化複合材料は、優れた力学特性を有することから、航空・宇宙分野、スポーツ・レジャー分野、土木・建築分野などにおいて広汎な用途に使用されており、これら用途に要求される特性を付与するため、これまでに多様なエポキシ樹脂組成物が創案されており、炭素繊維と組み合わせることにより数々の有用なプリプレグ、中間素材、複合材料が製造されている。なかでも航空機用途においては、構造材料として使用する複合材料に高いレベルの性能を要求する場合が多い。
【0003】
繊維強化複合材料を、航空機の構造材料に適用するに当たっては、強度特性においては特に圧縮強度を高めることを考慮すべきであり、また同時に耐熱性、耐環境性、耐衝撃性などの特性も高める必要がある。このための手段として、まず補強繊維においては、圧縮強度や引張強度の高い補強繊維を使用することが必要であり、一方マトリクス樹脂においては、マトリクス樹脂自体に高い剛性をもたせるとともに適度な靭性も確保することが必要である。さらには補強繊維とマトリクス樹脂との接着性をできる限り高くすることにより、それら素材の特性を協同せしめることで、圧縮強度などの強度特性をはじめ、耐熱性、耐環境性、耐衝撃性などの特性が効果的に発現されるようにすることが必要である。
【0004】
テトラグリシジル型エポキシ樹脂と、硬化剤としてジアミノジフェニルスルフォンをマトリクス樹脂としたプリプレグは、炭素繊維とマトリクス樹脂とが高い接着性を発現することから、従来より航空機構造材料を製造する際に常用されてきた。ところが、かかる樹脂組成物は、プリプレグを硬化せしめて成形品にするときの加熱に要する温度が約180℃と高く、多量のエネルギーを加熱に要してしまうため、航空機用構造材料に適用できるような高い強度特性を有する繊維強化複合材料が成形後に得られる一方で、成形品を製造する際には、従来より大幅な省エネルギー化が実現できるプリプレグが強く望まれている。
【0005】
補強繊維については、その単繊維の断面形状が、真円状、楕円状、卵状、空豆状、三つ葉状などさまざまなものがあるなかで、断面形状が実質的に真円状のものが、使用する樹脂の量を最少化でき、かつ、負荷荷重応力を分散させる効果も現れることから強度特性の面で好ましいが、繊維の所謂アンカー効果を低減させてしまうため、繊維とマトリクス樹脂との接着性が低下し、結果として強度特性の良好な複合材料が得られないという問題があった。
【0006】
これら相反する効果を両立させ、できるだけ強度特性の高い複合材料を得ようとしている例として、特開平8−81572号公報に、繊維方向に対して直角な断面に炭素繊維の単繊維同志が緻密に充填されたプリプレグを製造するために、単繊維の断面形状がほぼ真円状の炭素繊維と、ビスフェノールA型エポキシ樹脂をジアミノジフェニルスルホンで変性した変性エポキシ樹脂に、硬化剤としてジシアンジアミド、さらに硬化触媒としてジクロロフェニルウレアを使用したマトリクス樹脂とからなるプリプレグが開示されているが、かかるプリプレグから製造された複合材料は、樹脂が乾燥している状態では炭素繊維とマトリクス樹脂との間に発現される接着性は充分に高く、複合材料の強度特性も良好であるが、一旦樹脂が吸湿すると接着性が発現されなくなり、このとき荷重をかけると、炭素繊維とマトリクス樹脂との界面領域における剥離が生じ、複合材料が損壊するという問題があり、強度特性と耐候性の双方が要求される航空機用構造材料には適用が困難であった。
【0007】
発明者らは、断面形状が実質的に真円状である補強繊維と、該補強繊維と強固に接着するエポキシ樹脂組成物よりなるプリプレグから、従来より大幅に低い消費エネルギーで繊維強化複合材料が成形されて得られ、またこの繊維強化複合材料が、高度な強度特性、耐熱性、耐環境性が要求される航空機用構造材料にも問題なく適用できることを見出し、本発明に至った。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、断面形状が実質的に真円状である補強繊維を使用し、湿熱環境においても、補強繊維とマトリクス樹脂との高い接着性が保持でき、従来より低い消費エネルギーで成形品の製造ができ、また成形されて得られた繊維強化複合材料が、特に航空機用構造材料に強く所望される高度な強度特性、耐熱性、耐環境性を発現し得るプリプレグを提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明のプリプレグは次の構成を有する。すなわち、少なくとも次の構成要素[A]、[B]、[C]、[D]、[E]、構成要素[A]100重量部に対し、構成要素[B]を3〜5重量部、構成要素[D]を5〜15重量部の割合で含むエポキシ樹脂組成物が、単繊維の断面形状が実質的に真円状である補強繊維に含浸されてなることを特徴とするプリプレグである。
【0010】
[A]:エポキシ樹脂配合物100重量部に対して、テトラグリシジルアミン型エポキシ樹脂が60重量部以上配合されるエポキシ樹脂配合物
[B]:粒子状ジシアンジアミド
[C]:ウレア化合物
[D]:ジアミノジフェニルスルホン
[E]:熱可塑性樹脂
また、前記課題を解決するため、本発明の繊維強化複合材料は次の構成を有する。すなわち、前記プリプレグを積層し、100〜140℃で加熱することにより硬化して成形されてなる繊維強化複合材料である。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
【0012】
本発明は、航空機用構造材料に代表される大スケールの材料を製作するに当たって好適に用い得るプリプレグと該プリプレグが成形されてなる繊維強化複合材料に関するものである。
【0013】
成形後に得られる複合材料の強度特性を極力高め、航空機用構造材料に要求されるような高度の特性を賦与するために、本発明のプリプレグには単繊維の断面形状が実質的に真円状である補強繊維を使用することが必要である。かかる補強繊維の単繊維断面の直径については、5〜9μmが良く、より好ましくは6〜8μmが良い。断面の直径が5μm未満であると、硬化剤微粒子が補強繊維中に進入し難くなるため、マトリクス樹脂との接着性が低下し、9μmを超えると、補強繊維とマトリクス樹脂との総接触面積が小さくなり、両者間の接着性が低下してしまう。なお、ここでいう断面形状が実質的に真円状であるとは、通常、断面形状に外接する円の半径Rと内接する円の半径rとの比R/rが1〜1.1であることを意味する。
【0014】
またその補強繊維は、その樹脂含浸ストランド引張強度(以下、引張強度と称する)が4GPa以上のものが好ましい。引張強度が4GPa未満では、得られる複合材料の強度特性が不充分となり、航空機用構造材料などへの適用が困難になる場合がある。ただし前記補強繊維は、その引張強度が最大10GPa程度あれば本発明の効果を奏するに充分であることが多い。また、前記補強繊維は、エポキシ樹脂との接着性と強度特性の観点から炭素繊維が好ましいが、その他炭化ケイ素繊維や、ガラス繊維、アラミド繊維、ホウ素繊維、高強度ポリエチレン繊維などでも、これらの混繊糸でも良い。また補強繊維による成形材料としてはそれぞれを単独の繊維として混織したものも好適に使用できる。
【0015】
本発明における構成要素[A]の主成分としては、グリシジルエーテル型エポキシ樹脂やグリシジルアミン型エポキシ樹脂などのグリシジル型エポキシ樹脂の内、後者のグリシジルアミン型エポキシ樹脂が、補強繊維との接着性を向上させる観点から有効であり、なかでも、モノマー1分子に相当する繰り返し単位(以下、繰り返し単位と称する)内に2個のグリシジルアミノ基が存在するグリシジルアミン型エポキシ樹脂、すなわち、テトラグリシジルアミン型エポキシ樹脂がより効果的である。繰り返し単位内に存在するグリシジルアミノ基が1個のものは、補強繊維とマトリクス樹脂との接着性に劣る傾向にあり、繰り返し単位内に存在するグリシジルアミノ基が3個以上のものは、マトリクス樹脂の靭性が劣るため、結果として高い耐衝撃性を有した複合材料が得られない。
【0016】
テトラグリシジルアミン型エポキシ樹脂としては、テトラグリシジルメタキシレンジアミン、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン、テトラグリシジルビスアミノメチルシクロヘキサン、テトラグリシジルアミノフェニルジイソプロピルベンゼンなど、またはこれらの混合物が挙げられるが、なかでもテトラグリグリシジルジアミノジフェニルメタンは、補強繊維とマトリクス樹脂との接着性を高める効果が顕著であり、得られる複合材料の強度特性、耐熱性、耐環境性を向上させることから、好ましく用いることができる。
【0017】
かかる樹脂の配合量は、エポキシ樹脂配合物100重量部に対して、60重量部以上配合されていることが必要であり、好ましくは70重量部以上、より好ましくは80重量部以上が良い。配合量が60重量部未満であると、得られる複合材料を水中に浸した際などに、補強繊維とマトリクス樹脂との界面領域に水分が浸入してしまうと、その界面領域における接着力を保持できなくなり、複合材料の強度特性を損ねることになる。なお、後述するテトラグリシジルアミン型エポキシ樹脂以外のエポキシ樹脂を構成要素[A]に配合して含む場合には、構成要素[A]におけるテトラグリシジルアミン型エポキシ樹脂の配合量は97重量部以下とする。
【0018】
また前記構成要素[A]には、前記テトラグリシジルアミン型エポキシ樹脂と共に、次のようなテトラグリシジルアミン型エポキシ樹脂以外のエポキシ樹脂が必要に応じて配合される。
【0019】
すなわち、ビスフェノールA型エポキシ樹脂(ビスフェノールAを前駆体とするエポキシ樹脂)、ビスフェノールF型エポキシ樹脂(ビスフェノールFを前駆体とするエポキシ樹脂)、ビスフェノールS型エポキシ樹脂(ビスフェノールSを前駆体とするエポキシ樹脂)などのビスフェノール型エポキシ樹脂や、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂(クレゾールノボラックを前駆体とするエポキシ樹脂)、フェノールノボラック型エポキシ樹脂(フェノールノボラックを前駆体とするエポキシ樹脂)などのノボラック型エポキシ樹脂、その他、テトラグリシジルエーテル型エポキシ樹脂(テトラフェノールを前駆体とするエポキシ樹脂)、トリグリシジルエーテル型エポキシ樹脂(トリフェノールを前駆体とするエポキシ樹脂)、レゾルシノール型エポキシ樹脂(レゾルシノールを前駆体とするエポキシ樹脂)、ナフタレン型エポキシ樹脂(ジヒドロキシナフタレンを前駆体とするエポキシ樹脂)、ビフェニル型エポキシ樹脂(ジヒドロキシビフェニルを前駆体とするエポキシ樹脂)、フルオレン型エポキシ樹脂(ビスヒドロキシフェニルフルオレンを前駆体とするエポキシ樹脂)、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂(ジシクロペンタジエンとフェノールの縮合物からなるエポキシ樹脂)、オキサゾリドン環を有するエポキシ樹脂など、またはこれらの混合物である。
【0020】
ここで、オキサゾリドン環を有するエポキシ樹脂は一般に次の構造化学式で表される。
【0021】
【化1】

Figure 0004544656
ここで、R1,R2,R3は酸素を含み得る炭化水素基であって、R1とR3については同一であっても異なっていても良く、また炭化水素基中にビスフェノール基(−O−Ph−CR2−Ph−O−CH2CH(OH)CH2−;Ph=C64、R=CH3またはH)を含むものが一般的である。
【0022】
オキサゾリドン環を有するエポキシ樹脂は、特開平5−43655号公報に示される方法によって、3級アミン、4級アンモニウム塩、ホスホニウム化合物、リチウム化合物等の触媒存在下で、イソシアネート化合物とエポキシ化合物を反応させることにより得ることができる。イソシアネート化合物としては、イソホロンジイソシアネート、キシレンジイソシアネート、ジフェニルメタンジイソシアネート、トリレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネートなど、またはこれらの混合物が挙げられ、またエポキシ化合物としては、ビスフェノールAジグリシジルエーテル、ビスフェノールFジグリシジルエーテル、ビスフェノールSジグリシジルエーテルなど、またはこれらの混合物が挙げられる。
【0023】
前記テトラグリシジルアミン型エポキシ樹脂以外のエポキシ樹脂の中で、ビスフェノール型エポキシ樹脂は、補強繊維との接着性を高いまま保持しつつ、樹脂の靭性を改善するため好ましく、またノボラック型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂は、得られる複合材料の耐熱性、耐環境性を保持しながらプリプレグのタックを適度に抑制する効果があるためテトラグリシジルアミン型エポキシ樹脂以外のエポキシ樹脂として、特に好ましく用いられる。
【0024】
さらにまたテトラグリシジルアミン型エポキシ樹脂以外のエポキシ樹脂として、前記した、オキサゾリドン環を有するエポキシ樹脂を用いると、補強繊維との接着性がさらに高まり、圧縮強度などの強度特性、耐熱性、耐環境性がより優れた繊維強化複合材料を得ることができ好ましい。
【0025】
なおこれらテトラグリシジルアミン型エポキシ樹脂以外のエポキシ樹脂が、前記構成要素[A]に配合される量はできる限り少ない方が良いが、エポキシ樹脂配合物100重量部に対して、3〜40重量部、好ましくは3〜30重量部が良く、より好ましくは3〜20重量部が良い。
【0026】
本発明における構成要素[B]は、粒子状ジシアンジアミド(以下、DICYと称する)である。本発明においては、後述する構成要素[D]のジアミノジフェニルスルホン(以下、DDSと称する)を、硬化剤としてDICYと特定の配合量で併用することで、補強繊維とマトリクス樹脂とがより強固に接着するようになる。すなわち、エポキシ樹脂配合物100重量部に対して、DICYを3〜5重量部、DDSを5〜15重量部配合したエポキシ樹脂組成物からなる本発明のプリプレグは、補強繊維との間に顕著な接着効果を発現することによって圧縮強度などの強度特性、耐熱性、耐環境性がより優れた繊維強化複合材料を得ることができる。
【0027】
DICYは、アミン系硬化剤に属する微粒子状の化合物であり、低温領域ではバルクに相当するエポキシ樹脂組成物に難溶であるが、100℃以上になると溶解し、エポキシ樹脂との反応が開始する。このため、DICYを硬化剤に使用したエポキシ樹脂組成物やプリプレグは、特に貯蔵安定性が良好である
【0028】
DICY粒子の平均粒子径は1〜15μmが良く、より好ましくは3〜13μm、さらに好ましくは5〜10μmが良い。DICY粒子の平均粒子径が1μm未満であると、DICYのエポキシ樹脂組成物への溶解が促進され過ぎ、室温付近の温度でも、硬化反応が進行してしまうことがあり、エポキシ樹脂組成物やプリプレグの貯蔵安定性が損なわれてまい、またDICY粒子の平均粒子径が15μmより大きいと、プリプレグを製造する際などに、補強繊維に加圧、加熱しながら樹脂と共に粒子を含浸せしめても、補強繊維束中にDICYが進入しにくくなることで補強繊維とマトリクス樹脂との接着性が充分に発現されなくなり、成形後に圧縮強度などの強度特性に優れた複合材料を得ることができない。
【0030】
DDSとは、芳香族アミン系硬化剤に属する微粒子状化合物であり、芳香環上のアミノ基の置換位置により、構造異性体が存在する。本発明においては、いずれの異性体も使用することができるが、異性体の種類を変えることにより、マトリクス樹脂、および得られる複合材料の特性を制御することができる。例えば、4、4’−DDSでは特に耐熱性が優れたものとなり、3、3’−DDSは特に剛性が優れたものになる。DDSの平均粒子径は、DICYと同様な理由により、1〜15μmが良く、より好ましくは5〜13μm、さらに好ましくは8〜13μmが良い。
【0031】
本発明における構成要素[C]は、ウレア化合物である。ウレア化合物を硬化促進剤として使用すると、貯蔵安定性と、補強繊維との接着性の両特性に優れたエポキシ樹脂組成物を得ることができる。ここに硬化促進剤として、ウレア化合物の代わりに、3級アミン化合物を用いると、エポキシ樹脂組成物やプリプレグの貯蔵安定性が損なわれ、イミダゾール化合物を用いると、補強繊維とマトリクス樹脂との接着性が低下する傾向がある。
【0032】
ウレア化合物としては、3−フェニル−1、1−ジメチルウレア、3−(3−クロロフェニル)−1、1、−ジメチルウレア(以下、DCMUと称する)、3−(3、4−ジクロロフェニル)−1、1−ジメチルウレア(以下、HDIZと称する)など、またはこれらの混合物が挙げられる。またウレア化合物の、エポキシ樹脂配合物100重量部に対する配合量は、2〜10重量部が良く、より好ましくは3〜8重量部、さらに好ましくは4〜6重量部が良い。ウレア化合物の配合量が2重量部未満であると、補強繊維とマトリクス樹脂との接着性が低下する傾向にあり、10重量部を超えると、硬化促進作用が過度となってしまい、エポキシ樹脂組成物やプリプレグの貯蔵安定性が損なわれてしまう。
【0033】
さらに本発明によるエポキシ樹脂組成物には、プリプレグにおける、樹脂が未硬化の状態におけるレオロジー特性の制御、マトリクス樹脂の剛性や靭性の向上、タックの制御、補強繊維とマトリクス樹脂との接着性向上などの改良効果をもたせるために、前述した成分のほか、次に述べる熱可塑性樹脂、エラストマー、無機粒子を改良剤として配合することが好ましい。
【0034】
熱可塑性樹脂としては、ポリアセタール、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリアリーレンオキシド、ポリアリレート、ポリイミド、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、ポリ酢酸ビニル、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヒドロキシエーテル、ポリビニルアセタール、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリビニルホルマール、ポリフェニレンオキシド、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンスルフィド、ポリプロピレン、ポリベンズイミダゾール、ポリメタクリル酸メチルなどが挙げられる。
【0035】
これら熱可塑性樹脂は、各々単独で配合することも、また複数種を同時に配合することもできるが、中でもポリアミド樹脂は、マトリクス樹脂の靭性を改善し、得られる複合材料の耐衝撃性を向上させるため好ましく、ポリイミド樹脂およびポリエーテルスルホン樹脂は、マトリクス樹脂の剛性を高く保持したまま、補強繊維とマトリクス樹脂との接着性を強固にし、得られる複合材料の圧縮強度を大きく向上させるため、特に好ましく用いられる。
【0036】
またこれら熱可塑性樹脂の配合量は、エポキシ樹脂配合物100重量部に対して、5〜20重合部が良く、より好ましくは5〜15重量部、さらに好ましくは5〜12重量部が良い。5重量部未満では、前記した改良効果が充分に発揮されず、20重量部を超えると耐熱性が損なわれてしまう。
【0037】
またエラストマーについては、液体状のものでも、固体状のものでも良いが、後者の方がマトリクス樹脂の剛性を保持する観点から、好ましく用いられる。固体状のエラストマーであるアクリロニトリル−ブタジエンゴムは、エポキシ樹脂との相溶性に優れることから好ましく用いられる。かかるエラストマーが、アミノ基やカルボキシル基などの、エポキシ基と反応する官能基を有するものであると、マトリクス樹脂の剛性を向上させるため、より好ましい。エラストマーの具体例としては、前記アクリロニトリル−ブタジエンゴムの他、ウレタンゴム、スチレン−ブタジエンゴムなど、またはこれらの混成物が挙げられる。またエラストマーの配合量としては、エポキシ樹脂配合物100重量部に対して、1〜5重量部が良く、より好ましくは2〜3重量部が良い。1重量部未満では、前記した改良効果が充分に発揮されず、5重量部を超えるとマトリクス樹脂の剛性が損なわれてしまう。
【0038】
なおエラストマーには、特殊な形態を有したものとして、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、ウレタンゴム、スチレン−ブタジエンゴムなど、またはこれらの混成物よりなるコア成分と、ポリアクリレート、ポリアクリロニトリル、ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチルなど、またはこれらの混合物よりなるシェル(コア成分の表面被覆)成分より構成される、コア/シェル型のエラストマーが、エポキシ樹脂組成物中への分散性が良好なことから好ましく用いられる。特に前記ゴムの架橋物よりなるエラストマーをコア成分に、ポリアクリレート、ポリアクリロニトリル、ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチルなど、またはこれらの混合物をシェル成分に用いたコア/シェル型エラストマーは、マトリクス樹脂の剛性を顕著に高めることから、特に好ましく用いられる。
【0039】
さらにまた無機粒子としては、アルミナ、カーボンブラック、カオリンクレー、グラファイト、ケイ酸アルミニウム、酸化スズ、酸化チタン、三酸化アンチモン、三酸化モリブデン、シリカ、ジルコニア、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、スメクタイト、セリサイト、タルク、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、フェライト、マイカ、モンモリロナイト、硫化モリブデンなど、またはこれらの混合物が挙げられる。なかでもシリカ粒子は、エポキシ樹脂組成物に所謂チキソトロピー性を効果的に付与するため好ましい。またシリカ粒子には、二酸化ケイ素を基本骨格とし、粒子の表面がシラノール基で覆われている親水性タイプのものと、シラノール基の水素がアルキル基、シリル基等で置換されている疎水性タイプのものがあるが、後者の方がマトリクス樹脂に耐水性などの耐環境性を付与し得る観点から好ましく用いられる。
【0040】
これら無機粒子の配合量は、エポキシ樹脂配合物100重量部に対して、2〜10重合部が良く、より好ましくは2〜7重量部が良い。2重量部未満では、樹脂の剛性を高める効果が充分に発揮されず、10重量部を超えるとプリプレグのドレープが損なわれてしまう。
【0041】
本発明によるエポキシ樹脂組成物をマトリクス樹脂として用いることにより、通常は、マトリクス樹脂との接着性に劣る、断面形状が真円状の補強繊維を用いても、マトリクス樹脂との間に高い接着性を発現することができる。また単繊維の断面形状が真円状の補強繊維を使用することによって、ボイドの発生など、望ましくない現象を排除でき、補強繊維分率を可能な限り高め得る一方で、局部への応力集中も緩和できることから、圧縮強度などの強度特性に優れた、高品位かつ大スケールの複合材料を得ることができる。また、その接着性は複合材料を長時間水中に浸漬した状態でも充分に強固なままに保持される。
【0042】
本発明のプリプレグは、前記エポキシ樹脂組成物を先ず加熱して溶融せしめて後、樹脂が未硬化の間に離型紙上に均一に塗布して樹脂フィルムを作製し、その樹脂フィルムで補強繊維を両面から挟み込み、次いで樹脂を加圧、加熱しながら含浸させる方法などによって製造される。このときの補強繊維の形態や配列については、一方向に引き揃えられた長繊維、織物、組み紐、トウ、ニット、マットなどから、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。またこのときの加熱温度については90〜150℃が好ましい。加熱温度が、90℃未満であると、補強繊維への樹脂の含浸が不完全になり、プリプレグのタックが過多になり取り扱い性が悪くなる。また150℃を超えると、補強繊維への樹脂の含浸は完全となるが、含浸の最中に樹脂の硬化反応が進行してしまうため、プリプレグのドレープが損なわれてしまう。またプリプレグにおける補強繊維分率は、50〜80重量%が好ましい。補強繊維分率が50重量%未満であると、得られる複合材料において、圧縮強度などの強度特性が不足気味となり、また80重量%を超えると補強繊維単糸同志が擦れ合うことによって繊維が疲労し、耐久性の良好な複合材料が得られない。
【0043】
こうして得られたプリプレグは、室温での貯蔵安定性に優れており、室温下で1週間程度放置しても、タックやドレープの経時による変化は僅かであり、極めて取り扱いが容易である。
【0044】
プリプレグから複合材料を製造する方法には、繊維の方向を少しずつ変えて、疑似的に等方性を持たせるようにして積層し、その後加熱することにより硬化せしめる方法が好ましく採用される。ここでの加熱温度は、100〜140℃が好ましい。加熱温度が100℃未満であると、マトリクス樹脂の硬化反応が不完全となり、得られる複合材料の耐熱性、耐環境性が不足気味となり、140℃を超えると、成形温度から室温まで冷却したときの熱収縮が無視できなくなり、この熱収縮を起こした箇所が複合材料における欠陥部位となり、局部に過大な応力が集中することの多い、航空機の主翼、尾翼、胴体などの1次構造材料や、前輪ドア、方向蛇、スポイラなどに代表される、大スケールの構造材料に複合材料を適用した場合、耐破壊性に劣ったものとなってしまい好ましくない。また成形時の加熱に要するエネルギーも増大してしまうため、好ましくない。
【0045】
本発明における各材料の評価方法は、次の各項に示すとおりである。
(1)DICY、DDS粒子の平均粒子径の測定
DICY、DDS粒子を室温で真空乾燥して、含有水分率を0.2重量%以下とした後、粒度計を用いて粒子の平均粒子径を測定する。後述する実施例では粒度計として、レーザー回折式粒度計(島津製作所(株)製 SALD−200A型)を用い、粒子を球体と想定して、その直径を平均粒子径として求めた。
【0046】
(2)補強繊維の物性評価
補強繊維を繊維方向に垂直な方向から切断した後、その断面を走査型電子顕微鏡で拡大して写真撮影し、観察される断面形状に外接する半径Rの円と内接する半径rの円を描き、それら半径の比、R/rを断面の変形度とし、外接円の半径と内接円の半径の和、R+rを断面の直径とする。
【0047】
後述する実施例では、走査型電子顕微鏡として日立製作所(株)製 S−4000型を用い、倍率1万倍、加速電圧15kVの条件下で、単繊維断面の拡大写真を得た。
【0048】
さらに引張強度については、JIS R7601に準拠して測定する。
【0049】
【実施例】
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。
【0050】
(実施例1)
次に示す(1)〜(3)の手順で、エポキシ樹脂組成物、プリプレグ、炭素繊維強化複合材料を製造し、(4)に示す測定法で複合材料の圧縮強度を測定した。
【0051】
(1)エポキシ樹脂組成物の調整
下記原料をニーダーを用いて混練し、エポキシ樹脂組成物を調整した。
【0052】
テトラグリシジルアミン型エポキシ樹脂 80重量部
(住友化学(株)製 ELM434)
ビスフェノールA型エポキシ樹脂 20重量部
(東都化成(株)製 YD−128)
DICY 4重量部
4,4’−DDS 8重量部
DCMU 5重量部
PES(ポリエーテルスルホン) 重量部
(住友化学(株)製 Victrex(登録商標)グレード5003P)
ここで、次の方法で測定して、この樹脂組成物の吸湿時の剛性値として1040MPaを得た。
【0053】
まず、この樹脂組成物より、厚さ2mmの樹脂板をオーブンを用いて加熱硬化法により作成する。次にこれを長さ55mm、幅10mmの大きさに切り出し、次いで100℃の沸騰水に約20時間浸漬した後、沸騰水より取り出し、動的粘弾性法により82℃における樹脂板の剛性率を測定し、吸湿時の樹脂の剛性率とする。なお、ここでは動的粘弾性法による測定装置として、レオメトリック社製ARESを使用した。
【0054】
(2)プリプレグの製造
補強材として、東レ株式会社製炭素繊維「トレカ」(登録商標)T700S(単繊維断面の変形度:1.05、単繊維断面の直径:7μm、引張強度:4.9GPa)を用い、一方向に引き揃えた炭素繊維を、予め離型紙に塗布しておいたエポキシ樹脂フィルムで繊維を挟み込むようにして両面から覆い、加圧、加熱して樹脂を含浸せしめながらシート状プリプレグを製造した。
【0055】
また、このとき100℃における樹脂組成物の粘度は約15Pa・sであり、得られたプリプレグのタックとドレープは良好であった。
【0056】
(3)炭素繊維強化複合材料の製造
シート状プリプレグを、6層構成になるよう一方向に積層した後、オートクレーブ内で、圧力0.294Pa、温度135℃の条件下、120分間徐々に硬化せしめて炭素繊維強化複合材料を製造した。
【0057】
(4)複合材料の圧縮強度の測定
得られた複合材料からJIS K7076のA法試験片の形状および寸法で試験片を切り出し、続いてこの試験片を71℃に調節した温水に14日間浸漬した後、この試験片を取り出し、雰囲気温度82℃に調節した恒温槽内で0°圧縮強度を測定し、その値として1240MPaを得た。
【0058】
この実施例1で得られた複合材料は、航空機の構造材料に適用できる基準(上(4)に示す測定法で複合材料の0°圧縮強度>1000MPa)を満たしていた。
【0059】
比較例1〜5については、実施例1の手順に準じて、エポキシ樹脂組成物、プリプレグ、炭素繊維強化複合材料を製造し、得られた複合材料を評価した。
【0060】
実施例、比較例の結果を下表1に示す。
【0062】
【表1】
Figure 0004544656
注)表中数値は、エポキシ樹脂配合物100重量部に対する重量部数を示す。
【0063】
なお、表1において、アルファベットで略記した化合物は、それぞれ次に示す名称、化学構造式のものである。
【0064】
ELM434:テトラグリシジルアミン型エポキシ樹脂(住友化学(株)製)
【化2】
Figure 0004544656
ELM100:グリシジルアミン型エポキシ樹脂(住友化学(株)製)
【化3】
Figure 0004544656
MT0163:テトラグリシジルエーテル型エポキシ樹脂(チバ(株)製)
【化4】
Figure 0004544656
Ep−154:フェノールノボラック型エポキシ樹脂(油化シェルエポキシ樹脂(株)製
【化5】
Figure 0004544656
XAC4152:オキサゾリドン環含有エポキシ樹脂(旭チバ(株)製)
【化6】
Figure 0004544656
YD−128:ビスフェノールA型エポキシ樹脂(東都化成(株)製)
【化7】
Figure 0004544656
注)上記化学構造式中、Gはグリシジル基(次式)を示す。
【0065】
【化8】
Figure 0004544656
DICY:ジシアンジアミド
4、4’−DDS:4、4’−ジアミノジフェニルスルホン
DCMU:3−(3−クロロフェニル)−1、1、−ジメチルウレア
HDIZ:ヘプタデシルイミダゾール
PEI:ポリエーテルイミド
(ジェネラル・エレクトリック(株)製 Ultem(登録商標)グレード1000)
PES:ポリエーテルスルホン
(住友化学(株)製 Victrex グレード5003P)
また、各実施例、比較例におけるDICY粒子の平均粒子径は7μm、また、実施例6における4、4’−DDS微粒子の平均粒子径は10μmである。
【0066】
【発明の効果】
本発明のプリプレグは、単繊維の断面形状が実質的に真円状の補強繊維とマトリクス樹脂との接着が従来になく強固なプリプレグであり、これが成形されて得られる繊維強化複合材料は、高い強度特性と共に、優れた耐熱性、耐環境性、耐久性を発現することで、特に航空機用構造材料に好適に使用することができる。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a prepreg suitable for producing a fiber-reinforced composite material having excellent strength characteristics, heat resistance, and environmental resistance, and a structure for aircraft particularly formed by laminating and heating the prepreg. The present invention relates to a fiber reinforced composite material preferably applicable to the material.
[0002]
[Prior art]
Carbon fiber reinforced composite materials that use carbon fibers with excellent specific strength and specific elastic modulus as reinforcing fibers, and epoxy resins with good wettability and adhesiveness with the carbon fibers as matrix resins have excellent mechanical properties. , Aerospace / sports, sports / leisure, civil engineering / architecture, etc., and a wide variety of epoxy resin compositions have been created so far to provide the properties required for these applications. Many useful prepregs, intermediate materials, and composite materials are manufactured by combining with carbon fiber. In particular, in aircraft applications, a high level of performance is often required for composite materials used as structural materials.
[0003]
When applying fiber reinforced composite materials to aircraft structural materials, the strength properties should be considered to increase the compressive strength, and at the same time, the properties such as heat resistance, environmental resistance, and impact resistance should be improved. There is a need. As a means for this, it is necessary to use reinforcing fibers with high compressive strength and tensile strength for reinforcing fibers. On the other hand, with matrix resins, the matrix resin itself has high rigidity and appropriate toughness. It is necessary to. Furthermore, by making the adhesion between the reinforcing fibers and the matrix resin as high as possible, and by coordinating the properties of these materials, not only strength properties such as compressive strength, but also heat resistance, environmental resistance, impact resistance, etc. It is necessary to ensure that the properties are expressed effectively.
[0004]
A prepreg made of tetraglycidyl-type epoxy resin and diaminodiphenylsulfone as a curing agent as a matrix resin has been commonly used in the production of aircraft structural materials since the carbon fiber and the matrix resin exhibit high adhesion. It was. However, such a resin composition can be applied to aircraft structural materials because the temperature required for heating when curing the prepreg to form a molded article is as high as about 180 ° C. and a large amount of energy is required for heating. While a fiber-reinforced composite material having excellent high strength characteristics can be obtained after molding, a prepreg capable of realizing significant energy saving than before has been strongly desired when a molded product is produced.
[0005]
As for the reinforcing fiber, the cross-sectional shape of the single fiber is a perfect circle, an ellipse, an egg, an empty bean, a trefoil, etc. The amount of resin to be used can be minimized and the effect of dispersing applied load stress is also manifested, which is preferable in terms of strength characteristics, but because the so-called anchor effect of the fiber is reduced, the adhesion between the fiber and the matrix resin As a result, there was a problem that a composite material having good strength characteristics could not be obtained.
[0006]
As an example in which these conflicting effects are compatible and a composite material having as high a strength property as possible is obtained, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-81572 discloses that single fibers of carbon fibers are densely arranged in a cross section perpendicular to the fiber direction. In order to produce a filled prepreg, a carbon fiber having a substantially circular cross section of a single fiber, a modified epoxy resin obtained by modifying a bisphenol A type epoxy resin with diaminodiphenyl sulfone, dicyandiamide as a curing agent, and a curing catalyst A prepreg comprising a matrix resin using dichlorophenylurea as a composite material is disclosed, but a composite material produced from such a prepreg has an adhesion developed between the carbon fiber and the matrix resin when the resin is dry. The composite material is sufficiently high and the strength characteristics of the composite material are good. When the load is applied at this time, there is a problem that separation occurs at the interface region between the carbon fiber and the matrix resin, and the composite material is damaged. For aircrafts that require both strength characteristics and weather resistance It was difficult to apply to structural materials.
[0007]
The inventors have obtained a fiber-reinforced composite material with significantly lower energy consumption than conventional prepregs comprising a reinforcing fiber having a substantially circular cross-sectional shape and an epoxy resin composition that adheres firmly to the reinforcing fiber. The present inventors have found that this fiber-reinforced composite material obtained by molding can be applied to aircraft structural materials that require high strength properties, heat resistance, and environmental resistance without problems, and have led to the present invention.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention uses a reinforcing fiber having a substantially circular cross-sectional shape, and can maintain high adhesion between the reinforcing fiber and the matrix resin even in a humid heat environment, and can produce a molded product with lower energy consumption than in the past. An object of the present invention is to provide a prepreg capable of exhibiting high strength properties, heat resistance, and environmental resistance, which can be obtained, and the fiber reinforced composite material obtained by molding can be highly desired particularly for aircraft structural materials. .
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the prepreg of the present invention has the following configuration. That is, at least the following components [A], [B], [C], [D], [E]The, With respect to 100 parts by weight of the component [A], the component [B] is 3 to 5 parts by weight and the component [D] is 5 to 15 parts by weight.A prepreg is characterized in that the epoxy resin composition is impregnated into a reinforcing fiber having a substantially circular cross-sectional shape of a single fiber.
[0010]
[A]: Epoxy resin compound in which 60 parts by weight or more of tetraglycidylamine type epoxy resin is compounded with respect to 100 parts by weight of the epoxy resin compound
[B]: particulate dicyandiamide
[C]: Urea compound
[D]: Diaminodiphenyl sulfone
[E]: Thermoplastic resin
  Moreover, in order to solve the said subject, the fiber reinforced composite material of this invention has the following structure. That is, it is a fiber-reinforced composite material formed by laminating the prepreg and curing it by heating at 100 to 140 ° C.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
[0012]
The present invention relates to a prepreg that can be suitably used for manufacturing a large-scale material typified by an aircraft structural material, and a fiber-reinforced composite material formed by molding the prepreg.
[0013]
In order to increase the strength characteristics of the composite material obtained after molding as much as possible and to provide the high-level characteristics required for aircraft structural materials, the prepreg of the present invention has a substantially circular cross section of a single fiber. It is necessary to use reinforcing fibers that are About the diameter of the single fiber cross section of this reinforcement fiber, 5-9 micrometers is good, More preferably, 6-8 micrometers is good. When the cross-sectional diameter is less than 5 μm, the hardener fine particles are difficult to enter the reinforcing fiber, so that the adhesiveness with the matrix resin is reduced. When the cross-sectional diameter exceeds 9 μm, the total contact area between the reinforcing fiber and the matrix resin is reduced. It becomes small and the adhesiveness between both will fall. Note that the cross-sectional shape referred to here is substantially a perfect circle, and usually the ratio R / r of the radius R of the circle circumscribing the cross-sectional shape to the radius r of the inscribed circle is 1 to 1.1. It means that there is.
[0014]
The reinforcing fiber preferably has a resin-impregnated strand tensile strength (hereinafter referred to as tensile strength) of 4 GPa or more. If the tensile strength is less than 4 GPa, the strength characteristics of the resulting composite material may be insufficient, making it difficult to apply to structural materials for aircraft. However, if the tensile strength of the reinforcing fiber is about 10 GPa at the maximum, it is often sufficient to achieve the effects of the present invention. The reinforcing fiber is preferably a carbon fiber from the viewpoint of adhesion to an epoxy resin and strength properties, but other silicon carbide fibers, glass fibers, aramid fibers, boron fibers, high-strength polyethylene fibers, and the like are also mixed. Fine yarn may be used. Further, as the molding material made of reinforcing fibers, those obtained by blending each as a single fiber can be suitably used.
[0015]
As the main component of the component [A] in the present invention, among the glycidyl type epoxy resins such as glycidyl ether type epoxy resin and glycidyl amine type epoxy resin, the latter glycidyl amine type epoxy resin has adhesiveness to the reinforcing fiber. It is effective from the viewpoint of improvement, and in particular, a glycidylamine type epoxy resin in which two glycidylamino groups are present in a repeating unit corresponding to one monomer molecule (hereinafter referred to as a repeating unit), that is, a tetraglycidylamine type Epoxy resins are more effective. Those having one glycidylamino group present in the repeating unit tend to have poor adhesion between the reinforcing fiber and the matrix resin, and those having three or more glycidylamino groups present in the repeating unit are matrix resins. As a result, a composite material having high impact resistance cannot be obtained.
[0016]
Examples of the tetraglycidylamine type epoxy resin include tetraglycidylmetaxylenediamine, tetraglycidyldiaminodiphenylmethane, tetraglycidylbisaminomethylcyclohexane, tetraglycidylaminophenyldiisopropylbenzene, and mixtures thereof, among which tetraglycidyldiamino Diphenylmethane is remarkably effective in enhancing the adhesion between the reinforcing fiber and the matrix resin, and can be preferably used because it improves the strength characteristics, heat resistance, and environmental resistance of the resulting composite material.
[0017]
The compounding amount of the resin needs to be 60 parts by weight or more, preferably 70 parts by weight or more, and more preferably 80 parts by weight or more with respect to 100 parts by weight of the epoxy resin compound. When the blending amount is less than 60 parts by weight, when the resulting composite material is immersed in water, if water enters the interface region between the reinforcing fiber and the matrix resin, the adhesive force in the interface region is maintained. It becomes impossible and the strength characteristic of the composite material is impaired. In addition, when an epoxy resin other than the tetraglycidylamine type epoxy resin described later is included in the component [A], the amount of the tetraglycidylamine type epoxy resin in the component [A] is 97 parts by weight or less. To do.
[0018]
Moreover, the epoxy resin other than the following tetraglycidylamine type epoxy resins is blended with the constituent element [A] as necessary, together with the tetraglycidylamine type epoxy resin.
[0019]
That is, bisphenol A type epoxy resin (epoxy resin having bisphenol A as a precursor), bisphenol F type epoxy resin (epoxy resin having bisphenol F as a precursor), bisphenol S type epoxy resin (epoxy having bisphenol S as a precursor) Resin) and other novolac epoxy resins such as cresol novolac epoxy resin (epoxy resin with cresol novolac as a precursor), phenol novolac epoxy resin (epoxy resin with phenol novolac as a precursor), In addition, tetraglycidyl ether type epoxy resin (epoxy resin with tetraphenol as a precursor), triglycidyl ether type epoxy resin (epoxy resin with triphenol as a precursor), resorci Type epoxy resin (epoxy resin with resorcinol as a precursor), naphthalene type epoxy resin (epoxy resin with dihydroxynaphthalene as precursor), biphenyl type epoxy resin (epoxy resin with dihydroxybiphenyl as precursor), fluorene type Epoxy resin (epoxy resin with bishydroxyphenylfluorene as a precursor), dicyclopentadiene type epoxy resin (epoxy resin composed of a condensate of dicyclopentadiene and phenol), epoxy resin having an oxazolidone ring, or a mixture thereof is there.
[0020]
Here, the epoxy resin having an oxazolidone ring is generally represented by the following structural chemical formula.
[0021]
[Chemical 1]
Figure 0004544656
Where R1, R2, RThreeIs a hydrocarbon group that may contain oxygen and R1And RThreeMay be the same or different, and a bisphenol group (-O-Ph-CR in the hydrocarbon group).2-Ph-O-CH2CH (OH) CH2-; Ph = C6HFour, R = CHThreeOr the thing containing H) is common.
[0022]
An epoxy resin having an oxazolidone ring is reacted with an isocyanate compound and an epoxy compound in the presence of a catalyst such as a tertiary amine, a quaternary ammonium salt, a phosphonium compound, or a lithium compound by the method disclosed in JP-A-5-43655. Can be obtained. Examples of the isocyanate compound include isophorone diisocyanate, xylene diisocyanate, diphenylmethane diisocyanate, tolylene diisocyanate, hexamethylene diisocyanate, and mixtures thereof. Epoxy compounds include bisphenol A diglycidyl ether, bisphenol F diglycidyl ether, bisphenol. S diglycidyl ether or the like, or a mixture thereof.
[0023]
Among the epoxy resins other than the tetraglycidylamine type epoxy resin, the bisphenol type epoxy resin is preferable in order to improve the toughness of the resin while maintaining high adhesiveness with the reinforcing fiber. The cyclopentadiene type epoxy resin is particularly preferably used as an epoxy resin other than the tetraglycidylamine type epoxy resin because it has an effect of moderately suppressing tackiness of the prepreg while maintaining the heat resistance and environmental resistance of the obtained composite material. .
[0024]
Furthermore, when the above-mentioned epoxy resin having an oxazolidone ring is used as an epoxy resin other than the tetraglycidylamine type epoxy resin, the adhesion to the reinforcing fiber is further enhanced, and the strength characteristics such as compressive strength, heat resistance, and environmental resistance. Is preferable because a more excellent fiber-reinforced composite material can be obtained.
[0025]
It should be noted that the amount of the epoxy resin other than the tetraglycidylamine-type epoxy resin is preferably as small as possible in the component [A], but it is 3 to 40 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the epoxy resin compound. The amount is preferably 3 to 30 parts by weight, more preferably 3 to 20 parts by weight.
[0026]
  Component [B] in the present invention is particulate dicyandiamide(Hereafter referred to as DICY)It is. In the present invention,By using diaminodiphenyl sulfone (hereinafter referred to as DDS) as a constituent element [D], which will be described later, in combination with DICY as a curing agent at a specific blending amount, the reinforcing fiber and the matrix resin are more firmly bonded. . That is, the prepreg of the present invention consisting of an epoxy resin composition in which 3 to 5 parts by weight of DICY and 5 to 15 parts by weight of DDS is blended with 100 parts by weight of the epoxy resin composition is prominent between the reinforcing fibers. By exhibiting an adhesive effect, a fiber-reinforced composite material having more excellent strength characteristics such as compressive strength, heat resistance, and environmental resistance can be obtained.
[0027]
  DICY is a particulate compound belonging to the amine-based curing agent and is hardly soluble in an epoxy resin composition corresponding to a bulk in a low temperature region, but dissolves at 100 ° C. or higher and starts a reaction with the epoxy resin. . For this reason, epoxy resin compositions and prepregs that use DICY as a curing agent have particularly good storage stability..
[0028]
The average particle diameter of the DICY particles is preferably 1 to 15 μm, more preferably 3 to 13 μm, and still more preferably 5 to 10 μm. When the average particle size of the DICY particles is less than 1 μm, dissolution of DICY in the epoxy resin composition is promoted too much, and the curing reaction may proceed even at a temperature near room temperature, and the epoxy resin composition or prepreg If the average particle size of the DICY particles is larger than 15 μm, even if the particles are impregnated with the resin while applying pressure and heating to the reinforcing fibers when the prepreg is manufactured, the reinforcement Since it becomes difficult for DICY to enter the fiber bundle, the adhesiveness between the reinforcing fiber and the matrix resin is not sufficiently exhibited, and a composite material having excellent strength properties such as compressive strength cannot be obtained after molding.
[0030]
DDS is a particulate compound belonging to an aromatic amine curing agent, and there are structural isomers depending on the substitution position of the amino group on the aromatic ring. In the present invention, any isomer can be used, but the characteristics of the matrix resin and the resulting composite material can be controlled by changing the type of isomer. For example, 4, 4'-DDS has particularly excellent heat resistance, and 3, 3'-DDS has particularly excellent rigidity. The average particle diameter of DDS is preferably 1 to 15 μm, more preferably 5 to 13 μm, and further preferably 8 to 13 μm for the same reason as DICY.
[0031]
Component [C] in the present invention is a urea compound. When a urea compound is used as a curing accelerator, an epoxy resin composition excellent in both storage stability and adhesive properties with reinforcing fibers can be obtained. When a tertiary amine compound is used instead of a urea compound as a curing accelerator, the storage stability of the epoxy resin composition or prepreg is impaired. When an imidazole compound is used, the adhesion between the reinforcing fiber and the matrix resin is lost. Tends to decrease.
[0032]
As urea compounds, 3-phenyl-1,1-dimethylurea, 3- (3-chlorophenyl) -1,1, -dimethylurea (hereinafter referred to as DCMU), 3- (3,4-dichlorophenyl) -1 1-dimethylurea (hereinafter referred to as HDIZ), or a mixture thereof. Moreover, 2-10 weight part is good for the compounding quantity with respect to 100 weight part of epoxy resin compounds of a urea compound, More preferably, 3-8 weight part, More preferably, 4-6 weight part is good. If the blending amount of the urea compound is less than 2 parts by weight, the adhesion between the reinforcing fiber and the matrix resin tends to decrease. If it exceeds 10 parts by weight, the curing promoting action becomes excessive, and the epoxy resin composition The storage stability of objects and prepregs is impaired.
[0033]
Furthermore, the epoxy resin composition according to the present invention includes a prepreg that controls the rheological properties of the resin in an uncured state, improves the rigidity and toughness of the matrix resin, controls the tack, and improves the adhesion between the reinforcing fiber and the matrix resin. In addition to the above-described components, the following thermoplastic resin, elastomer, and inorganic particles are preferably blended as an improving agent.
[0034]
As thermoplastic resins, polyacetal, polyamide, polyamideimide, polyarylene oxide, polyarylate, polyimide, polyethylene, polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polyetherimide, polyetheretherketone, polyethersulfone, polyvinylchloride, polycarbonate, Polyvinyl acetate, polystyrene, polysulfone, polytetrafluoroethylene, polyhydroxy ether, polyvinyl acetal, polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl formal, polyphenylene oxide, polybutylene terephthalate, polyphenylene sulfide, polypropylene, polybenzimidazole, polymethyl methacrylate, etc. Is mentioned.
[0035]
These thermoplastic resins can be blended singly or in combination, and among them, the polyamide resin improves the toughness of the matrix resin and improves the impact resistance of the resulting composite material. Therefore, the polyimide resin and the polyethersulfone resin are particularly preferable because the adhesive strength between the reinforcing fiber and the matrix resin is strengthened while the rigidity of the matrix resin is kept high, and the compressive strength of the obtained composite material is greatly improved. Used.
[0036]
The blending amount of these thermoplastic resins is preferably 5 to 20 polymer parts, more preferably 5 to 15 parts by weight, and further preferably 5 to 12 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the epoxy resin composition. When the amount is less than 5 parts by weight, the above-described improvement effect is not sufficiently exhibited. When the amount exceeds 20 parts by weight, the heat resistance is impaired.
[0037]
The elastomer may be liquid or solid, but the latter is preferably used from the viewpoint of maintaining the rigidity of the matrix resin. Acrylonitrile-butadiene rubber, which is a solid elastomer, is preferably used because of its excellent compatibility with epoxy resins. It is more preferable that the elastomer has a functional group that reacts with an epoxy group, such as an amino group or a carboxyl group, because the rigidity of the matrix resin is improved. Specific examples of the elastomer include the acrylonitrile-butadiene rubber, urethane rubber, styrene-butadiene rubber, and the like, or a mixture thereof. The amount of the elastomer is preferably 1 to 5 parts by weight, more preferably 2 to 3 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the epoxy resin composition. If it is less than 1 part by weight, the above-described improvement effect is not sufficiently exhibited, and if it exceeds 5 parts by weight, the rigidity of the matrix resin is impaired.
[0038]
It should be noted that the elastomer has a special form, such as acrylonitrile-butadiene rubber, urethane rubber, styrene-butadiene rubber, or a core component made of a mixture thereof, polyacrylate, polyacrylonitrile, polystyrene, polymethacrylic acid. A core / shell type elastomer composed of a shell (core surface coating) component composed of methyl or the like or a mixture thereof is preferably used because of its good dispersibility in the epoxy resin composition. In particular, a core / shell type elastomer using a cross-linked rubber elastomer as a core component, polyacrylate, polyacrylonitrile, polystyrene, polymethyl methacrylate, etc., or a mixture thereof as a shell component has the rigidity of the matrix resin. Since it raises notably, it is used especially preferably.
[0039]
Furthermore, inorganic particles include alumina, carbon black, kaolin clay, graphite, aluminum silicate, tin oxide, titanium oxide, antimony trioxide, molybdenum trioxide, silica, zirconia, aluminum hydroxide, magnesium hydroxide, smectite, selenium. Sites, talc, calcium carbonate, magnesium carbonate, ferrite, mica, montmorillonite, molybdenum sulfide, etc., or mixtures thereof. Of these, silica particles are preferable because they effectively impart so-called thixotropic properties to the epoxy resin composition. Silica particles include a hydrophilic type whose basic skeleton is silicon dioxide and the surface of the particle is covered with a silanol group, and a hydrophobic type in which the hydrogen of the silanol group is substituted with an alkyl group, a silyl group, etc. However, the latter is preferably used from the viewpoint of imparting water resistance and other environmental resistance to the matrix resin.
[0040]
The blending amount of these inorganic particles is preferably 2 to 10 polymer parts, more preferably 2 to 7 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the epoxy resin composition. If it is less than 2 parts by weight, the effect of increasing the rigidity of the resin is not sufficiently exhibited, and if it exceeds 10 parts by weight, the drape of the prepreg is impaired.
[0041]
By using the epoxy resin composition according to the present invention as a matrix resin, it is usually inferior in adhesiveness to the matrix resin, and even if reinforcing fibers having a perfect circular cross section are used, high adhesion to the matrix resin is achieved. Can be expressed. Also, by using reinforcing fibers with a single fiber cross-sectional shape, it is possible to eliminate undesirable phenomena such as voids and increase the reinforcing fiber fraction as much as possible, while also concentrating stress on the local area. Since it can be relaxed, a high-quality and large-scale composite material excellent in strength properties such as compressive strength can be obtained. Further, the adhesiveness is maintained sufficiently strong even when the composite material is immersed in water for a long time.
[0042]
In the prepreg of the present invention, the epoxy resin composition is first heated and melted, and then uniformly applied onto a release paper while the resin is uncured to produce a resin film. It is produced by a method of sandwiching from both sides and then impregnating the resin with pressure and heating. The form and arrangement of the reinforcing fibers at this time can be freely selected from long fibers, woven fabrics, braids, tows, knits, mats, and the like that are aligned in one direction, depending on the part to be used and the application. Moreover, about the heating temperature at this time, 90-150 degreeC is preferable. When the heating temperature is less than 90 ° C., the impregnation of the resin into the reinforcing fiber becomes incomplete, the tackiness of the prepreg becomes excessive, and the handleability deteriorates. If the temperature exceeds 150 ° C., the resin is completely impregnated into the reinforcing fibers, but the resin curing reaction proceeds during the impregnation, so that the prepreg drape is impaired. The reinforcing fiber fraction in the prepreg is preferably 50 to 80% by weight. If the reinforcing fiber fraction is less than 50% by weight, the resulting composite material has insufficient strength properties such as compressive strength, and if it exceeds 80% by weight, the fibers become fatigued due to friction between the reinforcing fiber single yarns. Therefore, a composite material with good durability cannot be obtained.
[0043]
The prepreg thus obtained is excellent in storage stability at room temperature, and even if it is left at room temperature for about one week, the change with time of tack and drape is slight, and it is very easy to handle.
[0044]
As a method for producing a composite material from a prepreg, a method in which the direction of fibers is changed little by little so as to have a pseudo isotropic property, and then cured by heating is preferably employed. The heating temperature here is preferably 100 to 140 ° C. When the heating temperature is less than 100 ° C., the curing reaction of the matrix resin becomes incomplete, and the resulting composite material has insufficient heat resistance and environmental resistance. When the heating temperature exceeds 140 ° C., the molding material is cooled from the molding temperature to room temperature. The thermal contraction of the aircraft can no longer be ignored, the location where the thermal contraction has occurred becomes a defect site in the composite material, and excessive stress is often concentrated locally, primary structural materials such as aircraft main wing, tail wing, fuselage, When a composite material is applied to a large-scale structural material typified by a front wheel door, a direction snake, a spoiler, etc., it is not preferable because it is inferior in fracture resistance. Further, the energy required for heating during molding increases, which is not preferable.
[0045]
The evaluation method of each material in the present invention is as shown in the following items.
(1) Measurement of average particle diameter of DICY and DDS particles
The DICY and DDS particles are vacuum-dried at room temperature so that the moisture content is 0.2% by weight or less, and then the average particle size of the particles is measured using a particle size meter. In Examples to be described later, a laser diffraction type particle size meter (SALD-200A type, manufactured by Shimadzu Corporation) was used as a particle size meter, assuming that the particle was a sphere, and its diameter was determined as an average particle size.
[0046]
(2) Physical property evaluation of reinforcing fiber
After cutting the reinforcing fiber from the direction perpendicular to the fiber direction, the cross section is magnified with a scanning electron microscope and photographed, and a circle of radius R circumscribed and a circle of radius r inscribed are drawn on the observed cross sectional shape. The ratio of the radii, R / r is the degree of deformation of the cross section, the radius of the circumscribed circle and the radius of the inscribed circle, and R + r is the diameter of the cross section.
[0047]
In Examples described later, an S-4000 model manufactured by Hitachi, Ltd. was used as a scanning electron microscope, and an enlarged photograph of a single fiber cross section was obtained under conditions of a magnification of 10,000 and an acceleration voltage of 15 kV.
[0048]
Further, the tensile strength is measured according to JIS R7601.
[0049]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
[0050]
Example 1
The epoxy resin composition, the prepreg, and the carbon fiber reinforced composite material were produced by the following procedures (1) to (3), and the compressive strength of the composite material was measured by the measurement method shown in (4).
[0051]
(1) Preparation of epoxy resin composition
The following raw materials were kneaded using a kneader to prepare an epoxy resin composition.
[0052]
Tetraglycidylamine type epoxy resin80Parts by weight
(ELM434 manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.)
Bisphenol A type epoxy resin20Parts by weight
(YD-128, manufactured by Tohto Kasei Co., Ltd.)
DICY 4 parts by weight
4,4'-DDS 8 parts by weight
DCMU 5 parts by weight
PES (Polyethersulfone)5Parts by weight
(Victrex (registered trademark) grade 5003P manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.)
Here, the rigidity value at the time of moisture absorption of this resin composition is measured by the following method.1040MPa was obtained.
[0053]
  First, a resin plate having a thickness of 2 mm is prepared from this resin composition by a heat curing method using an oven. Next, this was cut into a size of 55 mm in length and 10 mm in width, then immersed in boiling water at 100 ° C. for about 20 hours, then taken out from boiling water, and the rigidity of the resin plate at 82 ° C. was determined by dynamic viscoelasticity. Measure and use the resin rigidity at the time of moisture absorption. Here, as a measuring device by the dynamic viscoelastic method, A made by Rheometric Co., Ltd.RES was used.
[0054]
(2) Manufacture of prepreg
As a reinforcing material, carbon fiber “Torayca” (registered trademark) T700S manufactured by Toray Industries, Inc. (degree of single fiber cross section deformation: 1.05, single fiber cross section diameter: 7 μm, tensile strength: 4.9 GPa) is used in one direction. The sheet-like prepreg was manufactured by covering the carbon fiber from the both sides with the epoxy resin film previously applied to the release paper so that the fiber was sandwiched from both sides and applying pressure and heating to impregnate the resin.
[0055]
At this time, the viscosity of the resin composition at 100 ° C. was about 15 Pa · s, and the prepreg obtained had good tack and drape.
[0056]
(3) Manufacture of carbon fiber reinforced composite materials
The sheet-like prepreg was laminated in one direction so as to have a six-layer structure, and then was gradually cured in an autoclave under a pressure of 0.294 Pa and a temperature of 135 ° C. for 120 minutes to produce a carbon fiber reinforced composite material.
[0057]
(4) Measurement of compressive strength of composite material
  A test piece was cut out from the obtained composite material in the shape and size of the JIS K7076 A method test piece, and subsequently immersed in warm water adjusted to 71 ° C. for 14 days. Measure the 0 ° compressive strength in a thermostat adjusted to 82 ° C,1240MPa was obtained.
[0058]
The composite material obtained in Example 1 satisfied the standards applicable to aircraft structural materials (0 ° compressive strength of composite material> 1000 MPa according to the measurement method shown in (4) above).
[0059]
  About Comparative Examples 1-5, the epoxy resin composition, the prepreg, and the carbon fiber reinforced composite material were manufactured according to the procedure of Example 1, and the obtained composite material was evaluated.
[0060]
The results of Examples and Comparative Examples are shown in Table 1 below.
[0062]
[Table 1]
Figure 0004544656
Note) The numerical values in the table indicate the number of parts by weight with respect to 100 parts by weight of the epoxy resin compound.
[0063]
  Table1The compounds abbreviated with alphabets have the following names and chemical structural formulas, respectively.
[0064]
ELM434: Tetraglycidylamine type epoxy resin (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.)
[Chemical 2]
Figure 0004544656
ELM100: Glycidylamine type epoxy resin (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.)
[Chemical Formula 3]
Figure 0004544656
MT0163: Tetraglycidyl ether type epoxy resin (manufactured by Ciba)
[Formula 4]
Figure 0004544656
Ep-154: phenol novolac type epoxy resin (Oilized Shell Epoxy Resin Co., Ltd.)
[Chemical formula 5]
Figure 0004544656
XAC4152: Oxazolidone ring-containing epoxy resin (Asahi Ciba Co., Ltd.)
[Chemical 6]
Figure 0004544656
YD-128: Bisphenol A type epoxy resin (manufactured by Toto Kasei Co., Ltd.)
[Chemical 7]
Figure 0004544656
Note) In the above chemical structural formula, G represents a glycidyl group (following formula).
[0065]
[Chemical 8]
Figure 0004544656
DICY: Dicyandiamide
4,4'-DDS: 4,4'-diaminodiphenylsulfone
DCMU: 3- (3-chlorophenyl) -1,1, -dimethylurea
HDIZ: heptadecylimidazole
PEI: Polyetherimide
(Ultem (registered trademark) grade 1000 manufactured by General Electric Co., Ltd.)
PES: Polyethersulfone
(Victrex grade 5003P manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.)
The average particle size of DICY particles in each Example and Comparative Example is 7 μm, and the average particle size of 4,4′-DDS fine particles in Example 6 is 10 μm.
[0066]
【The invention's effect】
The prepreg of the present invention is a prepreg in which the cross-sectional shape of a single fiber is substantially unprecedented in the bonding between a reinforcing fiber and a matrix resin, and the fiber-reinforced composite material obtained by molding this is high. By exhibiting excellent heat resistance, environmental resistance and durability as well as strength characteristics, it can be suitably used particularly for aircraft structural materials.

Claims (6)

少なくとも次の構成要素[A]、[B]、[C]、[D]、[E]、構成要素[A]100重量部に対し、構成要素[B]を3〜5重量部、構成要素[D]を5〜15重量部の割合で含むエポキシ樹脂組成物が、単繊維の断面形状が実質的に真円状である補強繊維に含浸されてなることを特徴とするプリプレグ。
[A]:エポキシ樹脂配合物100重量部に対して、テトラグリシジルアミン型エポキシ樹脂が60重量部以上配合されるエポキシ樹脂配合物
[B]:粒子状ジシアンジアミド
[C]:ウレア化合物
[D]:ジアミノジフェニルスルホン
[E]:熱可塑性樹脂
At least the following components [A], [B], [C], [D], the [E], with respect to component [A] 100 parts by weight, 3 to 5 parts by weight of component [B], structure A prepreg characterized in that an epoxy resin composition containing 5 to 15 parts by weight of an element [D] is impregnated into a reinforcing fiber having a substantially circular cross-sectional shape of a single fiber.
[A]: Epoxy resin blend in which 60 parts by weight or more of tetraglycidylamine type epoxy resin is blended with 100 parts by weight of epoxy resin blend [B]: Particulate dicyandiamide [C]: Urea compound
[D]: Diaminodiphenyl sulfone
[E]: Thermoplastic resin
前記構成要素[A]において、テトラグリシジルアミン型エポキシ樹脂の配合量がエポキシ樹脂配合物100重量部に対して60〜97重量部であり、さらに構成要素[A]には、テトラグリシジルアミン型エポキシ樹脂以外のエポキシ樹脂が3〜40重量部配合されている請求項1に記載のプリプレグ。In the component [A], the amount of the tetraglycidylamine type epoxy resin is 60 to 97 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the epoxy resin compound, and the component [A] includes a tetraglycidylamine type epoxy. the prepreg according to Motomeko 1 epoxy resin other than the resin that is 3 to 40 parts by weight. 前記テトラグリシジルアミン型エポキシ樹脂以外のエポキシ樹脂が、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂、オキサゾリドン環を有するエポキシ樹脂から選ばれる少なくとも一種のエポキシ樹脂である請求項2に記載のプリプレグ。The tetraglycidyl amine type epoxy resin other than the epoxy resin, bisphenol type epoxy resins, novolak type epoxy resins, at least one epoxy resin der Ru請 Motomeko 2 prepreg according selected from epoxy resin having an oxazolidone ring. 前記エポキシ樹脂組成物には、無機粒子が含まれる請求項1〜3のいずれかに記載のプリプレグ。The epoxy resin composition, prepreg according to any one of Motomeko 1-3 that is part of the inorganic particles. 構成要素[A]100重量部に対し、構成要素[E]を5〜12重量部含む請求項1〜4のいずれかに記載のプリプレグ。The prepreg according to any one of claims 1 to 4, comprising 5 to 12 parts by weight of the component [E] with respect to 100 parts by weight of the component [A]. 請求項1〜のいずれかに記載のプリプレグを積層し、100〜140℃で加熱することにより硬化して成形されてなる繊維強化複合材料。A fiber-reinforced composite material obtained by laminating the prepreg according to any one of claims 1 to 5 and curing and molding by heating at 100 to 140 ° C.
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