JP6051987B2 - Method for producing carbon fiber coated with sizing agent - Google Patents

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本発明は、航空機部材、宇宙機部材、自動車部材および船舶部材をはじめとして、ゴルフシャフトや釣竿等のスポーツ用途およびその他一般産業用途に好適に用いられるサイジング剤塗布炭素繊維および該サイジング剤塗布炭素繊維の製造方法、プリプレグならびに炭素繊維強化複合材料に関するものである。より詳しくは、本発明は、低温下等の厳しい環境下での機械特性に優れ、構造材料として好適な熱硬化性樹脂、なかでもエポキシ樹脂をマトリックス樹脂として使用した場合、該マトリックス樹脂と炭素繊維との接着性に優れ、プリプレグを長期保管した時の物性低下を抑制し、高次加工性の高いサイジング剤塗布炭素繊維および該サイジング剤塗布炭素繊維の製造方法、プリプレグならびに炭素繊維強化複合材料に関する。   The present invention relates to a sizing agent-coated carbon fiber suitable for use in aircraft members, spacecraft members, automobile members, marine members, sports applications such as golf shafts and fishing rods, and other general industrial applications, and the sizing agent-coated carbon fibers. The present invention relates to a manufacturing method, a prepreg and a carbon fiber reinforced composite material. More specifically, the present invention is excellent in mechanical properties under severe environments such as low temperatures, and is suitable as a structural material. When an epoxy resin is used as a matrix resin, the matrix resin and the carbon fiber are used. The present invention relates to a sizing agent-coated carbon fiber that has excellent adhesiveness and suppresses deterioration of physical properties when the prepreg is stored for a long period of time, and a method for producing the sizing agent-coated carbon fiber, a prepreg, and a carbon fiber reinforced composite material. .

炭素繊維は、軽量でありながら、強度および弾性率に優れるため、種々のマトリックス樹脂と組み合わせた複合材料は、航空機部材、宇宙機部材、自動車部材、船舶部材、土木建築材およびスポーツ用品等の多くの分野に用いられている。炭素繊維を用いた複合材料において、炭素繊維の優れた特性を活かすには、炭素繊維とマトリックス樹脂との接着性が優れることが重要である。   Since carbon fiber is lightweight and has excellent strength and elastic modulus, many composite materials combined with various matrix resins are used for aircraft members, spacecraft members, automobile members, ship members, civil engineering and building materials, and sporting goods. Used in the field. In a composite material using carbon fibers, in order to make use of the excellent characteristics of carbon fibers, it is important that the adhesion between the carbon fibers and the matrix resin is excellent.

炭素繊維とマトリックス樹脂との接着性を向上させるため、通常、炭素繊維に気相酸化や液相酸化等の酸化処理を施し、炭素繊維表面に酸素含有官能基を導入する方法が行われている。例えば、炭素繊維に電解処理を施すことにより、接着性の指標である層間剪断強度を向上させる方法が提案されている(特許文献1参照)。しかしながら、近年、複合材料への要求特性のレベルが向上するにしたがって、このような酸化処理のみで達成できる接着性では不十分になりつつある。   In order to improve the adhesion between the carbon fiber and the matrix resin, a method of introducing an oxygen-containing functional group on the surface of the carbon fiber is usually performed by subjecting the carbon fiber to oxidation treatment such as gas phase oxidation or liquid phase oxidation. . For example, a method of improving the interlaminar shear strength, which is an index of adhesiveness, by subjecting carbon fibers to electrolytic treatment has been proposed (see Patent Document 1). However, in recent years, as the level of required properties for composite materials has improved, the adhesion that can be achieved by such oxidation treatment alone is becoming insufficient.

一方、炭素繊維は脆く、集束性および耐摩擦性に乏しいため、高次加工工程において毛羽や糸切れが発生しやすい。このため、炭素繊維にサイジング剤を塗布する方法が提案されている(特許文献2および3参照)。   On the other hand, since carbon fiber is brittle and has poor convergence and friction resistance, fluff and yarn breakage are likely to occur in the high-order processing step. For this reason, the method of apply | coating a sizing agent to carbon fiber is proposed (refer patent document 2 and 3).

例えば、サイジング剤として、複数のエポキシ基を有する脂肪族タイプのエポキシ化合物が提案されている(特許文献4、5、6参照)。また、サイジング剤としてポリアルキレングリコールのエポキシ付加物を炭素繊維に塗布する方法が提案されている(特許文献7、8および9参照)。また、芳香族系のサイジング剤としてビスフェノールAのジグリシジルエーテルを炭素繊維に塗布する方法が提案されている(特許文献2および3参照)。また、サイジング剤としてポリアルキレンオキサイド付加物にエポキシ基を付加させたものを炭素繊維に塗布する方法が提案されている(特許文献10および11参照)。   For example, an aliphatic type epoxy compound having a plurality of epoxy groups has been proposed as a sizing agent (see Patent Documents 4, 5, and 6). Further, a method of applying an epoxy adduct of polyalkylene glycol as a sizing agent to carbon fibers has been proposed (see Patent Documents 7, 8 and 9). In addition, a method of applying diglycidyl ether of bisphenol A to carbon fibers as an aromatic sizing agent has been proposed (see Patent Documents 2 and 3). Moreover, the method of apply | coating what added the epoxy group to the polyalkylene oxide adduct as a sizing agent to carbon fiber is proposed (refer patent documents 10 and 11).

サイジング剤に含まれる官能基に着目し、水酸基を有することで、高い接着性を実現した提案がなされている(特許文献12および13参照)。特許文献12では、1分子内にエポキシ化合物と水酸基などの官能基を持つエポキシ化合物とアンモニウム塩の併用が記載されている。また、特許文献13では、エポキシ化合物と水酸基および/またはカルボキシル基と、アミノ基を持つ化合物の併用に関する提案があり、水酸基価、カルボキシル基価およびエポキシ価の規定による高い接着性を有するサイジング剤塗布炭素繊維が提案されている。アミノ基とエポキシ基の反応によって生成した水酸基と炭素繊維上の水酸基による水素結合に着目しているものの、炭素繊維に塗布する前のサイジング剤の官能基を規定したものであり、炭素繊維に塗布された後の官能基の比率を制御するという着眼点は見られない。また、いずれも、アミノ基、アンモニウム塩などのエポキシの反応を加速する硬化剤成分を含有している。   Focusing on the functional groups contained in the sizing agent, proposals have been made that achieve high adhesion by having hydroxyl groups (see Patent Documents 12 and 13). Patent Document 12 describes the combined use of an epoxy compound and an ammonium salt having an epoxy compound and a functional group such as a hydroxyl group in one molecule. In Patent Document 13, there is a proposal regarding the combined use of an epoxy compound, a hydroxyl group and / or a carboxyl group, and a compound having an amino group, and a sizing agent coating having high adhesiveness by regulation of the hydroxyl value, the carboxyl group value, and the epoxy value. Carbon fiber has been proposed. Although it focuses on hydrogen bonding by hydroxyl groups formed by the reaction of amino groups and epoxy groups and hydroxyl groups on carbon fibers, it defines the functional groups of the sizing agent before it is applied to carbon fibers and is applied to carbon fibers. There is no point of focus on controlling the ratio of the functional group after being formed. Moreover, all contain the hardening | curing agent component which accelerates | stimulates reaction of epoxy, such as an amino group and ammonium salt.

また、炭素繊維上に塗布、乾燥した後のサイジング剤の官能基の割合に着目した提案がなされている(特許文献14参照)。また、特許文献15には、サイズ剤が付着した炭素繊維ストランドの乾燥・熱処理後に乾燥・熱処理前のサイズ剤のエポキシ当量の2.0〜4.0倍になるまで乾燥・熱処理する製造方法が提案されている。熱処理時の水に関する記載はなく、エポキシ基の加水分解を目的としたものではない。   Further, a proposal has been made focusing on the functional group ratio of the sizing agent after being applied and dried on carbon fibers (see Patent Document 14). Patent Document 15 discloses a production method in which drying / heat treatment is performed after drying / heat treatment of carbon fiber strands to which a sizing agent is attached until the epoxy equivalent of the sizing agent before drying / heat treatment is 2.0 to 4.0 times. Proposed. There is no description about water at the time of heat treatment, and it is not intended for hydrolysis of epoxy groups.

また、水酸基、エポキシ基以外の官能基を導入した例として、ハロゲンを含むものが提案されている(特許文献15参照)。しかし、水酸基、ハロゲンを含めた官能基量、比率を制御するという着眼点は見られない。   In addition, as an example of introducing a functional group other than a hydroxyl group and an epoxy group, one containing a halogen has been proposed (see Patent Document 15). However, there is no focus on controlling the amount and ratio of functional groups including hydroxyl groups and halogens.

サイジング剤に塗布するエポキシ化合物ではなく、サイジング剤塗布炭素繊維に塗布されているサイジング剤の官能基を制御することで、プリプレグの長期安定性と高い接着性、高いプロセス性を同時に実現させるという思想はなかった。   The idea of simultaneously realizing long-term stability, high adhesion, and high processability of the prepreg by controlling the functional group of the sizing agent applied to the sizing agent-coated carbon fiber instead of the epoxy compound applied to the sizing agent There was no.

特開平04−361619号公報Japanese Patent Laid-Open No. 04-361619 米国特許第3,957,716号明細書US Pat. No. 3,957,716 特開昭57−171767号公報JP-A-57-171767 特公昭63−14114号公報Japanese Examined Patent Publication No. 63-14114 特開平7−279040号公報JP-A-7-279040 特開平8−113876号公報JP-A-8-113876 特開昭57−128266号公報JP-A-57-128266 米国特許第4,555,446号明細書U.S. Pat. No. 4,555,446 特開昭62−033872号公報JP 62-033872 A 特開昭61−028074号公報JP 61-028074 A 特開平01−272867号公報Japanese Patent Laid-Open No. 01-272867 特開2012−052279号公報JP 2012-052279 A 特開2011−214209号公報JP 2011-214209 A 特開2011−47063号公報JP 2011-47063 A 特開平8−188968号公報JP-A-8-188968

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、接着性および保存安定性に優れるとともに、優れた耐熱性と低温下等の厳しい使用環境での機械強度に優れた炭素繊維強化複合材料を得ることができるサイジング剤塗布炭素繊維、サイジング剤塗布炭素繊維の製造方法、プリプレグおよび炭素繊維強化複合材料が得られる製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and is a carbon fiber reinforced composite material that is excellent in adhesiveness and storage stability and excellent in heat resistance and mechanical strength in severe use environments such as under low temperature. It is an object of the present invention to provide a sizing agent-coated carbon fiber, a sizing agent-coated carbon fiber production method, a prepreg, and a production method from which a carbon fiber reinforced composite material can be obtained .

本発明者らは、特定の処理を施すことによってサイジング剤塗布炭素繊維から溶出されたサイジング剤成分の官能基を特定の範囲にすることで上述した目的を達成できることを見出した。すなわち、本発明において、サイジング剤に用いるエポキシ化合物自体は既知のエポキシ化合物から選択することができるが、サイジング剤に用いるエポキシ化合物の選択、サイジング剤または/およびサイジング剤塗布炭素繊維に水存在下または/および湿潤下で熱履歴を与えることにより、サイジング剤の官能基を特定の範囲にすることがサイジング剤手法として重要なものであって、かつ新規なものであるといえる。   The present inventors have found that the above-described object can be achieved by setting the functional group of the sizing agent component eluted from the sizing agent-coated carbon fiber to a specific range by performing a specific treatment. That is, in the present invention, the epoxy compound itself used for the sizing agent can be selected from known epoxy compounds, but the selection of the epoxy compound used for the sizing agent, the sizing agent or / and the sizing agent-coated carbon fiber in the presence of water or It can be said that it is important as a sizing agent technique to provide a functional range of the sizing agent within a specific range by giving a thermal history under wet conditions.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明で得られるサイジング剤塗布炭素繊維(以下、本発明のサイジング剤塗布炭素繊維、と記載することがある)は、炭素繊維に、分子内に水酸基とエポキシ基を有するエポキシ化合物(A)を主成分として含むサイジング剤を塗布したサイジング剤塗布炭素繊維であって、前記サイジング剤には、窒素あるいはリン含有量で1.3質量%以下となる硬化剤を含んでおり、かつ、前記サイジング剤塗布炭素繊維をN,N−ジメチルホルムアミド溶媒に浸漬し超音波処理することで溶出した前記サイジング剤の水酸基価(a)meq./gとエポキシ価(b)meq./gが、下記(I)から(III)を満たすことを特徴とする。
(I)8≦(a)+(b)≦16
(II)(a)/(b)≧2
(III)(b)≧0.5
また、本発明のサイジング剤塗布炭素繊維は、上記発明において、前記エポキシ化合物(A)が分子内にハロゲンを含み、X線光電子分光法によって測定される前記サイジング剤塗布炭素繊維の表面のハロゲン/炭素が0.005〜0.030であることを必須とする。
また、本発明のサイジング剤塗布炭素繊維は、上記発明において、前記溶出したサイジング剤の重量平均分子量が1000〜5000であることを必須とする。
In order to solve the above-described problems and achieve the object, the sizing agent-coated carbon fiber obtained in the present invention (hereinafter sometimes referred to as the sizing agent-coated carbon fiber of the present invention) is a molecule of carbon fiber. A sizing agent-coated carbon fiber coated with a sizing agent containing an epoxy compound (A) having a hydroxyl group and an epoxy group as a main component, wherein the sizing agent has a nitrogen or phosphorus content of 1.3% by mass or less. And the hydroxyl value (a) meq. Of the sizing agent eluted by immersing the sizing agent-coated carbon fiber in an N, N-dimethylformamide solvent and sonicating. / G and epoxy value (b) meq. / G satisfies the following (I) to (III).
(I) 8 ≦ (a) + (b) ≦ 16
(II) (a) / (b) ≧ 2
(III) (b) ≧ 0.5
In the sizing agent-coated carbon fiber of the present invention, in the above invention, the epoxy compound (A) contains halogen in the molecule, and the surface of the sizing agent-coated carbon fiber is measured by X-ray photoelectron spectroscopy. It is essential that the carbon is 0.005 to 0.030.
Moreover, the sizing agent application | coating carbon fiber of this invention makes it essential that the weight average molecular weights of the said eluted sizing agent are 1000-5000 in the said invention.

また、本発明のサイジング剤塗布炭素繊維は、上記発明において、前記溶出したサイジング剤の水酸基価(a)meq./gが、下記(IV)を満たすことを特徴とする。
(IV)(a)≧9
また、本発明のサイジング剤塗布炭素繊維は、上記発明において、前記エポキシ化合物(A)が脂肪族エポキシ化合物(A1)であることを必須とする。
Moreover, the sizing agent-coated carbon fiber of the present invention is the above-described invention, wherein the hydroxyl value (a) meq. / G satisfies the following (IV).
(IV) (a) ≧ 9
Moreover, the sizing agent application | coating carbon fiber of this invention makes it essential that the said epoxy compound (A) is an aliphatic epoxy compound (A1) in the said invention.

また、本発明のサイジング剤塗布炭素繊維は、上記発明において、前記脂肪族エポキシ化合物(A1)がグリセロール、ジグリセロール、ポリグリセロール、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ソルビトール、およびアラビトールから選択される1種と、エピクロロヒドリンとの反応により得られるグリシジルエーテル型エポキシ化合物であることを特徴とする。   The sizing agent-coated carbon fiber of the present invention is the above-described invention, wherein the aliphatic epoxy compound (A1) is selected from glycerol, diglycerol, polyglycerol, trimethylolpropane, pentaerythritol, sorbitol, and arabitol. And a glycidyl ether type epoxy compound obtained by reaction with epichlorohydrin.

発明のサイジング剤塗布炭素繊維の製造方法は、下記(V)または/および(VI)を満たす工程を含む方法であることを必須とする。
(V)水存在下20〜150℃で0.5〜20000時間熱処理した、前記エポキシ化合物(A)を主成分とするサイジング剤含有液を炭素繊維に塗布する工程。
(VI)前記エポキシ化合物(A)を主成分とするサイジング剤含有液を炭素繊維に塗布し乾燥後に、さらに20〜150℃、湿度50〜90%の湿潤下で20〜20000時間熱処理する工程。
The method for producing a sizing agent-coated carbon fiber of the present invention must be a method including a step satisfying the following (V) or / and (VI).
(V) The process of apply | coating to the carbon fiber the sizing agent containing liquid which has heat-processed at 20-150 degreeC for 0.5 to 20000 hours in the presence of water and which has the said epoxy compound (A) as a main component.
(VI) wherein the epoxy compound sizing agent-containing liquid consisting mainly of (A) after coating and drying the carbon fibers, further 20 to 150 ° C., the step of heat treatment at humid humidity 50-90% 20-20000 hours.

また、本発明のサイジング剤塗布炭素繊維の製造方法は、上記発明において、前記(V)に示す熱処理をする前のエポキシ価(b1)と熱処理をした後のエポキシ価(b2)、および前記(VI)に示す熱処理をする前のエポキシ価(b3)と熱処理をした後のエポキシ価(b4)が、下記(VII)を満たすことを特徴とする。
(VII)1.5≦[(b1)/(b2)]×[(b3)/(b4)]≦10。
Moreover, the manufacturing method of the sizing agent application | coating carbon fiber of this invention WHEREIN: The epoxy value (b2) after heat processing and the epoxy value (b2) after heat processing shown in said (V), and the said (V) The epoxy value (b3) before the heat treatment shown in VI) and the epoxy value (b4) after the heat treatment satisfy the following (VII).
(VII) 1.5 ≦ [(b1) / (b2)] × [(b3) / (b4)] ≦ 10.

また、本発明のプリプレグは、上記のいずれか一つに記載のサイジング剤塗布炭素繊維、または上記のいずれか一つに記載のサイジング剤塗布炭素繊維の製造方法により製造されたサイジング剤塗布炭素繊維と、熱硬化性樹脂を含むことを特徴とする。   Further, the prepreg of the present invention is a sizing agent-coated carbon fiber according to any one of the above, or a sizing agent-coated carbon fiber produced by the method for producing a sizing agent-coated carbon fiber according to any one of the above. And a thermosetting resin.

また、本発明のプリプレグは、上記発明において、前記熱硬化性樹脂にエポキシ化合物と潜在性硬化剤(B)とを含有することを特徴とする。   The prepreg of the present invention is characterized in that, in the above invention, the thermosetting resin contains an epoxy compound and a latent curing agent (B).

また、本発明のプリプレグは、上記発明において、前記潜在性硬化剤(B)がジフェニルスルフォン骨格を含有する芳香族アミン硬化剤(B1)であることを特徴とする。   The prepreg of the present invention is characterized in that, in the above invention, the latent curing agent (B) is an aromatic amine curing agent (B1) containing a diphenylsulfone skeleton.

また、本発明のプリプレグは、上記発明において、前記潜在性硬化剤(B)がジシアンジアミドまたはその誘導体(B2)であることを特徴とする。   The prepreg of the present invention is characterized in that, in the above invention, the latent curing agent (B) is dicyandiamide or a derivative (B2) thereof.

また、本発明の炭素繊維強化複合材料は、上記のいずれか一つに記載のプリプレグを成形してなることを特徴とする。   Moreover, the carbon fiber reinforced composite material of the present invention is formed by molding the prepreg according to any one of the above.

また、本発明の炭素繊維強化複合材料は、上記いずれか一つに記載のサイジング剤塗布炭素繊維、または上記いずれか一つに記載の方法で製造されたサイジング剤塗布繊維と熱硬化性樹脂の硬化物を含むことを特徴とする。   Moreover, the carbon fiber reinforced composite material of the present invention is a sizing agent-coated carbon fiber according to any one of the above, or a sizing agent-coated fiber manufactured by the method according to any one of the above and a thermosetting resin. A cured product is included.

本発明によれば、マトリックス樹脂との接着性が優れるサイジング剤塗布炭素繊維を得ることができる。また、該サイジング剤塗布炭素繊維を適用することで、長期保管時も経時変化が小さく、優れた物性を有する炭素繊維強化複合材料を得るためのプリプレグを得ることができる。   According to the present invention, it is possible to obtain a sizing agent-coated carbon fiber having excellent adhesion with a matrix resin. Further, by applying the sizing agent-coated carbon fiber, it is possible to obtain a prepreg for obtaining a carbon fiber reinforced composite material having a small change with time even during long-term storage and having excellent physical properties.

以下、さらに詳しく、本発明のサイジング剤塗布炭素繊維およびサイジング剤塗布炭素繊維の製造方法を実施するための形態について説明をする。   Hereinafter, the form for implementing the manufacturing method of the sizing agent application | coating carbon fiber and sizing agent application | coating carbon fiber of this invention in more detail is demonstrated.

本発明にかかるサイジング剤塗布炭素繊維は、炭素繊維に、分子内に水酸基とエポキシ基を有するエポキシ化合物(A)を主成分として含むサイジング剤を塗布したサイジング剤塗布炭素繊維であって、前記サイジング剤には、窒素あるいはリン含有量で1.3質量%以下となる硬化剤を含んでおり、かつ、前記サイジング剤塗布炭素繊維をN,N−ジメチルホルムアミド溶媒に浸漬し超音波処理することで溶出した前記サイジング剤の水酸基価(a)meq./gとエポキシ価(b)meq./gが、下記(I)から(III)を満たす。
(I)8≦(a)+(b)≦16
(II)(a)/(b)≧2
(III)(b)≧0.5。
The sizing agent-coated carbon fiber according to the present invention is a sizing agent-coated carbon fiber obtained by coating a carbon fiber with a sizing agent containing, as a main component, an epoxy compound (A) having a hydroxyl group and an epoxy group in the molecule. The agent contains a curing agent having a nitrogen or phosphorus content of 1.3% by mass or less, and the sizing agent-coated carbon fiber is immersed in an N, N-dimethylformamide solvent and subjected to ultrasonic treatment. The hydroxyl value of the eluted sizing agent (a) meq. / G and epoxy value (b) meq. / G satisfies the following (I) to (III).
(I) 8 ≦ (a) + (b) ≦ 16
(II) (a) / (b) ≧ 2
(III) (b) ≧ 0.5.

本発明者らの知見によれば、かかる範囲を全て満たすものは、炭素繊維とマトリックス樹脂との界面接着性に優れるとともに、そのサイジング剤塗布炭素繊維をプリプレグに用いた場合にも、プリプレグを長期保管したときの物性低下が少なく、複合材料用の炭素繊維に好適なものである。   According to the knowledge of the present inventors, those satisfying all such ranges are excellent in interfacial adhesion between the carbon fiber and the matrix resin, and even when the sizing agent-coated carbon fiber is used for the prepreg, the prepreg is used for a long time. There is little decrease in physical properties when stored, and it is suitable for carbon fibers for composite materials.

まず、本発明で使用するサイジング剤塗布炭素繊維およびそれに用いるサイジング剤の各構成要素について説明する。   First, each component of the sizing agent-coated carbon fiber used in the present invention and the sizing agent used therefor will be described.

本発明のエポキシ化合物(A)は分子内に水酸基とエポキシ基を有する化合物である。エポキシ化合物(A)にエポキシ基および水酸基を含むことで、炭素繊維とサイジング剤中のエポキシ基および水酸基の強固な結合を形成することができ、接着性が向上するため好ましい。エポキシ基は、特に炭素繊維と強固な結合を有することで、エポキシ基を含むサイジング剤を用いた場合には炭素繊維とマトリックス樹脂の接着性が高いことが確認されている。一方、マトリックス樹脂中の硬化剤に代表される官能基を有する化合物との反応性が高く、サイジング剤塗布炭素繊維をプリプレグに用いた場合、プリプレグの状態で長期間保管すると、マトリックス樹脂とサイジング剤の相互作用により界面層の構造が変化し、そのプリプレグから得られる炭素繊維強化複合材料の物性が低下する課題があることが確認されている。   The epoxy compound (A) of the present invention is a compound having a hydroxyl group and an epoxy group in the molecule. It is preferable that the epoxy compound (A) contains an epoxy group and a hydroxyl group because a strong bond between the epoxy group and the hydroxyl group in the carbon fiber and the sizing agent can be formed and the adhesiveness is improved. It has been confirmed that the epoxy group has a strong bond particularly with the carbon fiber, and when the sizing agent containing the epoxy group is used, the adhesion between the carbon fiber and the matrix resin is high. On the other hand, the reactivity with the compound having a functional group represented by the curing agent in the matrix resin is high, and when the sizing agent-coated carbon fiber is used for the prepreg, the matrix resin and the sizing agent are stored in the prepreg state for a long time. It has been confirmed that there is a problem that the structure of the interface layer is changed by the interaction of the above, and the physical properties of the carbon fiber reinforced composite material obtained from the prepreg are lowered.

また、水酸基は、炭素繊維との接着性を向上させ、本発明のサイジング剤塗布炭素繊維をプリプレグに用いた時に、マトリックス樹脂との反応性が低く、プリプレグを長期保管した場合の物性変化が小さいという利点がある。しかしながら、水酸基のみのサイジング剤を用いた場合、炭素繊維とマトリックス樹脂の接着性が若干劣ることが確認されている。本発明において、エポキシ化合物(A)が分子内に水酸基とエポキシ基を有するということは、1分子内に一つ以上の官能基を持つ必要はなく、平均的に有していれば十分である。   In addition, the hydroxyl group improves the adhesion to the carbon fiber, and when the sizing agent-coated carbon fiber of the present invention is used for the prepreg, the reactivity with the matrix resin is low, and the change in physical properties when the prepreg is stored for a long time is small. There is an advantage. However, it has been confirmed that when a sizing agent containing only a hydroxyl group is used, the adhesion between the carbon fiber and the matrix resin is slightly inferior. In the present invention, the fact that the epoxy compound (A) has a hydroxyl group and an epoxy group in the molecule does not need to have one or more functional groups in one molecule, and it is sufficient if it has an average. .

したがって、本発明においては、炭素繊維に塗布されたエポキシ化合物(A)を主成分として含むサイジング剤の水酸基とエポキシ基の比率が重要であり、これを良好に表現できる、サイジング剤塗布炭素繊維から溶出された成分に含まれている水酸基とエポキシ基の比率が重要であるといえる。本発明においては、サイジング剤塗布炭素繊維をN,N−ジメチルホルムアミド溶媒に浸漬し超音波処理することで溶出した前記サイジング剤の水酸基価(a)meq./gとエポキシ価(b)meq./gが、下記(I)から(III)を満たすことが重要である。
(I)8≦(a)+(b)≦16
(II)(a)/(b)≧2
(III)(b)≧0.5。
Therefore, in the present invention, the ratio of the hydroxyl group and the epoxy group of the sizing agent containing the epoxy compound (A) applied to the carbon fiber as a main component is important, and this can be expressed well. It can be said that the ratio of the hydroxyl group and the epoxy group contained in the eluted component is important. In the present invention, the hydroxyl value (a) meq. Of the sizing agent eluted by immersing the sizing agent-coated carbon fiber in an N, N-dimethylformamide solvent and subjecting it to ultrasonic treatment. / G and epoxy value (b) meq. It is important that / g satisfies the following (I) to (III).
(I) 8 ≦ (a) + (b) ≦ 16
(II) (a) / (b) ≧ 2
(III) (b) ≧ 0.5.

かかる溶出したサイジング剤の水酸基とエポキシ基の比率は、本発明のサイジング剤塗布炭素繊維をN,N−ジメチルホルム溶媒中に浸漬し、各30分間の超音波洗浄を3回行うことで繊維から溶出させたサイジング剤溶液を分析することによって求めることができる。なお、サイジング剤塗布炭素繊維からサイジング剤を溶出した時に、炭素繊維に残存するサイジング剤は0.20質量%以下になることが好ましい。   The ratio of hydroxyl groups and epoxy groups of the eluted sizing agent is determined by immersing the sizing agent-coated carbon fiber of the present invention in an N, N-dimethylform solvent and performing ultrasonic cleaning for 30 minutes three times each. It can be determined by analyzing the eluted sizing agent solution. The sizing agent remaining in the carbon fiber when the sizing agent is eluted from the sizing agent-coated carbon fiber is preferably 0.20% by mass or less.

サイジング剤の付着量は、サイジング剤塗布炭素繊維を2±0.5g採取し、窒素雰囲気中450℃にて加熱処理を15分間行ったときの該加熱処理前後の質量の変化を測定し、質量変化量を加熱処理前の質量で除した値(質量%)とする。   The amount of sizing agent attached was measured by measuring the change in mass before and after the heat treatment when 2 ± 0.5 g of sizing agent-coated carbon fiber was sampled and heat-treated at 450 ° C. for 15 minutes in a nitrogen atmosphere. The amount of change is divided by the mass before heat treatment (mass%).

本発明のサイジング剤の水酸基価(a)、エポキシ価(b)は塗布するのに用いるサイジング剤の種類に加えて、後述するサイジング剤およびサイジング剤塗布炭素繊維の熱処理によって制御することが可能である。熱履歴により、炭素繊維に塗布したエポキシ化合物は自己縮合あるいは水との反応により加水分解することで、制御することができる。本発明においては、水酸基を増やす観点から水との反応による加水分解が好ましく用いられる。   The hydroxyl value (a) and epoxy value (b) of the sizing agent of the present invention can be controlled by heat treatment of the sizing agent and sizing agent-coated carbon fiber described below, in addition to the type of sizing agent used for coating. is there. Due to the thermal history, the epoxy compound applied to the carbon fiber can be controlled by hydrolysis by self-condensation or reaction with water. In the present invention, hydrolysis by reaction with water is preferably used from the viewpoint of increasing hydroxyl groups.

従って、本発明においては、用いるサイジング剤の種類そのものは公知のものも差し支えはなく、サイジング剤塗布炭素繊維に塗布されているサイジング剤を上記範囲に制御することでプロセス性、コンポジット物性、プリプレグ保管時の経時変化を抑制することが重要である。   Accordingly, in the present invention, the kind of sizing agent to be used itself may be any known one, and by controlling the sizing agent applied to the sizing agent-coated carbon fiber within the above range, processability, composite physical properties, prepreg storage It is important to suppress changes over time.

本発明において、水酸基価(a)meq./gとエポキシ価(b)meq./gの合計((a)+(b))が8〜16meq./gである。8meq./g以上であることで、サイジング剤の官能基が十分となり接着性がより高くなる。好ましい範囲は、9meq./g以上であり、さらに好ましくは、11meq./g以上である。さらに、(a)+(b)が16meq./g以下にあることで、柔軟性が高くなり、拡がり性が良好になる。   In the present invention, the hydroxyl value (a) meq. / G and epoxy value (b) meq. / G total ((a) + (b)) is 8-16 meq. / G. 8 meq. By being / g or more, the functional group of the sizing agent becomes sufficient, and the adhesiveness becomes higher. A preferred range is 9 meq. / G or more, more preferably 11 meq. / G or more. Further, (a) + (b) is 16 meq. By being below / g, the flexibility becomes high and the spreadability becomes good.

また、本発明において、水酸基価(a)meq./gとエポキシ価(b)meq./gの比である(a)/(b)が2以上である。2以上であることは、エポキシ基に対して水酸基の量が多いことを示しており、炭素繊維表面との相互作用を高めながらマトリックス樹脂との反応性を抑制できる。また、(a)/(b)は4以上がより好ましい。   In the present invention, the hydroxyl value (a) meq. / G and epoxy value (b) meq. (A) / (b) which is the ratio of / g is 2 or more. That it is 2 or more has shown that there is much quantity of a hydroxyl group with respect to an epoxy group, and can suppress the reactivity with matrix resin, improving the interaction with the carbon fiber surface. Further, (a) / (b) is more preferably 4 or more.

本発明における溶出したサイジング剤のエポキシ価(b)は、0.5meq./g以上である。エポキシ基は水酸基に比べて炭素繊維表面との相互作用が強く、0.5meq./g以上で、サイジング剤と炭素繊維の間の接着性がより向上するとともに、該サイジング剤塗布炭素繊維を炭素繊維強化複合材料に用いた場合に、コンポジットの物性が向上する。また、エポキシ価(b)は1meq./g以上が好ましい。一方、エポキシ基は反応性が高いため、サイジング剤塗布炭素繊維をプリプレグに用いた場合に、サイジング剤中のエポキシ基とマトリックス樹脂が反応することで、プリプレグを長期保管したときに物性低下が生じることが分かっている。エポキシ価を4meq./g以下にすることで、プリプレグを長期保管した時の物性低下が小さくなるため好ましい。また、エポキシ価(b)は3meq./g以下であることがより好ましく、2meq./g以下であることがさらに好ましい。   The epoxy value (b) of the eluted sizing agent in the present invention is 0.5 meq. / G or more. The epoxy group has a stronger interaction with the surface of the carbon fiber than the hydroxyl group, and 0.5 meq. At / g or more, the adhesion between the sizing agent and the carbon fiber is further improved, and the physical properties of the composite are improved when the sizing agent-coated carbon fiber is used in a carbon fiber reinforced composite material. The epoxy value (b) is 1 meq. / G or more is preferable. On the other hand, since epoxy groups are highly reactive, when sizing agent-coated carbon fibers are used in the prepreg, the epoxy groups in the sizing agent react with the matrix resin, resulting in deterioration of physical properties when the prepreg is stored for a long period of time. I know that. The epoxy value is 4 meq. / G or less is preferable because a decrease in physical properties when the prepreg is stored for a long period of time is reduced. The epoxy value (b) was 3 meq. / G or less is more preferable, and 2 meq. / G or less is more preferable.

なお、エポキシ価は、上記サイジング剤を溶出した溶液を用い、塩酸でエポキシ基を開環させ、酸塩基滴定で求めることができる。   The epoxy value can be determined by acid-base titration using a solution in which the above sizing agent is eluted, opening the epoxy group with hydrochloric acid.

また、本発明における溶出したサイジング剤の水酸基価(a)は、9meq./g以上であることが好ましい。水酸基価(a)が9meq./g以上であることで、エポキシ価が小さい場合においても、サイジング剤と炭素繊維の濡れ性が向上するため、サイジング剤が均一に付着し、接着性が良好になるため好ましい。また、水酸基価(a)は10meq./g以上であることがより好ましく、11meq./g以上であることがより好ましい。水酸基による水素結合によるサイジング剤の増粘を抑制することができる観点から、15meq./g以下が好ましい。   Moreover, the hydroxyl value (a) of the eluted sizing agent in the present invention is 9 meq. / G or more is preferable. The hydroxyl value (a) is 9 meq. Since the wettability between the sizing agent and the carbon fiber is improved even when the epoxy value is small, it is preferable because the sizing agent adheres uniformly and the adhesiveness is improved. The hydroxyl value (a) is 10 meq. / G or more, more preferably 11 meq. / G or more is more preferable. From the viewpoint of suppressing the thickening of the sizing agent due to hydrogen bonding by the hydroxyl group, 15 meq. / G or less is preferable.

サイジング剤の水酸基価は、サイジング剤を溶出した溶媒を用いて、無水酢酸を用いて、水酸基をアセチル化し、生成した酢酸を水酸化カリウム溶液で滴定する事により求めることができる。エポキシ基も滴定されるため、上記のエポキシ価の値で補正する。   The hydroxyl value of the sizing agent can be determined by acetylating the hydroxyl group with acetic anhydride using a solvent eluting the sizing agent and titrating the produced acetic acid with a potassium hydroxide solution. Since the epoxy group is also titrated, it is corrected with the above epoxy value.

また、本発明における溶出したサイジング剤の重量平均分子量は、1000〜5000であることを必須とする。重量平均分子量が1000以上であることで、サイジング剤塗布炭素繊維の解除時の粘着による単糸切れを抑制できるため好ましい。重量平均分子量は5000以下であることで、官能基を増やすことができ、接着性が良好になる重量平均分子量は1500以上が好ましく、3000以下が好ましい。 Moreover, it is essential that the weight average molecular weight of the eluted sizing agent in the present invention is 1000 to 5000 . It is preferable for the weight average molecular weight to be 1000 or more because breakage of single yarn due to adhesion at the time of releasing the sizing agent-coated carbon fiber can be suppressed. When the weight average molecular weight is 5000 or less, the functional group can be increased and the adhesiveness is improved . The weight average molecular weight is preferably 1500 or more, and preferably 3000 or less.

重量平均分子量は、溶出したサイジング剤を、単分散ポリスチレン標準として、ジメチルホルムアミド(0.01N−臭化リチウム添加)を溶媒としたゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)で求めることができる。   The weight average molecular weight can be determined by gel permeation chromatography (GPC) using the eluted sizing agent as a monodisperse polystyrene standard and dimethylformamide (with 0.01 N-lithium bromide) as a solvent.

本発明のサイジング剤塗布炭素繊維は、エポキシ化合物(A)を主成分とする。主成分ということは、塗布前の溶媒を除いたサイジング剤全量に対して、50質量%以上であることを示す。また、80質量%以上であることが好ましく、90質量%以上であることが好ましく、95質量%以上であることが好ましい。エポキシ化合物(A)は1種類でも良いし、2種類以上を用いることもできる。   The sizing agent-coated carbon fiber of the present invention contains the epoxy compound (A) as a main component. The main component means that it is 50% by mass or more based on the total amount of the sizing agent excluding the solvent before coating. Moreover, it is preferable that it is 80 mass% or more, it is preferable that it is 90 mass% or more, and it is preferable that it is 95 mass% or more. One kind of epoxy compound (A) may be used, or two or more kinds may be used.

本発明のサイジング剤塗布炭素繊維のサイジング剤は、窒素あるいはリン含有量で1.3質量%以下となる硬化剤含む。本発明における硬化剤とは、熱硬化性樹脂に添加し反応させることによって、その樹脂を三次元網目構造化して硬化させる機能をもつ物質である。硬化後の樹脂の分子骨格成分となるものと、硬化反応を促進する触媒とのあるものの両方を含む。硬化剤のサイジング剤中の含有量を、窒素あるいはリン含有量で1.3質量%以下にすることで、本発明のサイジング剤塗布炭素繊維を使用したプリプレグ等を長期間保管した場合にも、エポキシ化合物の反応による界面層の変化を抑制することができるため、コンポジット物性が良好になることから好ましい。硬化剤のサイジング剤中の含有量は窒素あるいはリン含有量で0.025質量%以下が好ましく、0.005質量%以下がより好ましく、硬化剤をサイジング剤中に含まないことがもっとも好ましい。硬化剤とは、1級アミノ基、2級アミノ基を持つ化合物、3級アミン化合物、3級アミン塩、4級アンモニウム塩などが例示される。アミン化合物以外には、ホスホニウム塩などの活性水素を有する化合物も例示される。芳香族、脂肪族のいずれも含まれる。また、単官能あるいは多官能のどちらにおいても、硬化を促進する効果を有する。   The sizing agent of the sizing agent-coated carbon fiber of the present invention includes a curing agent that has a nitrogen or phosphorus content of 1.3% by mass or less. The curing agent in the present invention is a substance having a function of curing the resin by adding it to a thermosetting resin and reacting it to form a three-dimensional network structure. It includes both those that become molecular skeleton components of the cured resin and those that have a catalyst that promotes the curing reaction. Even when storing the prepreg using the sizing agent-coated carbon fiber of the present invention for a long period of time by setting the content in the sizing agent of the curing agent to 1.3 mass% or less in nitrogen or phosphorus content, Since the change of the interface layer due to the reaction of the epoxy compound can be suppressed, the composite physical properties are favorable, which is preferable. The content of the curing agent in the sizing agent is preferably 0.025% by mass or less, more preferably 0.005% by mass or less in terms of nitrogen or phosphorus content, and most preferably no curing agent is contained in the sizing agent. Examples of the curing agent include a compound having a primary amino group, a secondary amino group, a tertiary amine compound, a tertiary amine salt, and a quaternary ammonium salt. In addition to amine compounds, compounds having active hydrogen such as phosphonium salts are also exemplified. Both aromatic and aliphatic are included. Further, both monofunctional and polyfunctional have an effect of promoting curing.

エポキシ化合物(A)はエポキシ基、水酸基以外に、ハロゲン、カルボキシル基、ウレア基、スルホニル基、スルホ基を含むことができる。エポキシ化合物(A)が、他の官能基を有するエポキシ化合物であると、エポキシ基が炭素繊維表面の酸素含有官能基と共有結合あるいは水素結合を形成した場合でも、他の官能基がマトリックス樹脂と共有結合または水素結合を形成することができ、接着性がさらに向上するため好ましい。本発明においては、エポキシ化合物(A)は、分子内にハロゲンを含んでいることを必須とする。 The epoxy compound (A) can contain a halogen, a carboxyl group, a urea group, a sulfonyl group, and a sulfo group in addition to the epoxy group and the hydroxyl group. When the epoxy compound (A) is an epoxy compound having another functional group, even when the epoxy group forms a covalent bond or a hydrogen bond with the oxygen-containing functional group on the surface of the carbon fiber, the other functional group is not bonded to the matrix resin. A covalent bond or a hydrogen bond can be formed, which is preferable because adhesion is further improved. In the present invention, it is essential that the epoxy compound (A) contains a halogen in the molecule.

特に、ハロゲンを含むことで、極性が高まり接着性が向上することで好ましい。ハロゲンは、臭素、塩素、フッ素が好ましい。エポキシ化合物を製造する際に、水酸基を持つ化合物にエピクロロヒドリンを作用させる方法が好ましく用いられる。このときに、残存する塩素量を本発明の好ましい範囲に制御できるというプロセス性の観点、ハロゲンは塩素がより好ましい。   In particular, the inclusion of halogen is preferable because the polarity is increased and the adhesiveness is improved. The halogen is preferably bromine, chlorine or fluorine. In producing an epoxy compound, a method of causing epichlorohydrin to act on a compound having a hydroxyl group is preferably used. At this time, from the viewpoint of processability that the amount of remaining chlorine can be controlled within the preferred range of the present invention, the halogen is more preferably chlorine.

本発明のサイジング剤塗布炭素繊維の表面のX線光電子分光法によって測定されるハロゲンと炭素の原子数の比率であるハロゲン/炭素は0.005〜0.030であることを必須とする。ハロゲンと炭素の原子数の比率が0.005以上になることで、理由は定かではないが、接着性が向上する。耐腐食性等の観点から、0.030以下であるのが良い。0.010以上が好ましく、0.020以下が好ましい。 It is essential that the halogen / carbon, which is the ratio of the number of atoms of halogen and carbon, measured by X-ray photoelectron spectroscopy on the surface of the sizing agent-coated carbon fiber of the present invention is 0.005 to 0.030 . By allowing the ratio of the halogen and the number of atoms of carbon is 0.005 or more, reasons are not clear, you improve adhesion. From the viewpoint of corrosion resistance and the like, it is preferably 0.030 or less . 0.010 or more is preferable and 0.020 or less is preferable.

なお、サイジング剤表面のハロゲン濃度はX線光電子分光法によって、次の手順に従って求めたものである。ハロゲンが塩素である場合を例にとって、説明する。まず、本発明のサイジング剤塗布炭素繊維を20mmにカットして、銅製の試料支持台に拡げて並べた後、X線源としてAlα1,2を用い、試料チャンバー内を1×10−8torrに保ち測定する。光電子脱出角度45°で測定する。測定時の帯電に伴うピークの補正値としてC1sのメインピーク(ピークトップ)の結合エネルギー値を284.6eVに合わせる。C1sピーク面積は、282〜296eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求め、Cl2pピーク面積は、195〜205eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求められる。表面酸素濃度(Cl/C)は、上記Cl2pピーク面積の比を装置固有の感度補正値で割ることにより算出した原子数比で表す。X線光電子分光法装置として、アルバック・ファイ(株)製ESCA−1600を用いる場合、上記装置固有の感度補正値は3.04である。 The halogen concentration on the surface of the sizing agent was determined by X-ray photoelectron spectroscopy according to the following procedure. The case where the halogen is chlorine will be described as an example. First, the sizing agent-coated carbon fibers of the present invention were cut into 20 mm, spread and arranged on a copper sample support, and then Alα 1 and 2 were used as an X-ray source, and the inside of the sample chamber was 1 × 10 −8 torr. Keep it in a measurement. Measured with a photoelectron escape angle of 45 °. As a correction value for the peak accompanying charging during measurement, the binding energy value of the C 1s main peak (peak top) is adjusted to 284.6 eV. The C 1s peak area is obtained by drawing a straight base line in the range of 282 to 296 eV, and the Cl 2p peak area is obtained by drawing a straight base line in the range of 195 to 205 eV. The surface oxygen concentration (Cl / C) is expressed as an atomic ratio calculated by dividing the ratio of the Cl 2p peak area by the sensitivity correction value unique to the apparatus. When ESCA-1600 manufactured by ULVAC-PHI Co., Ltd. is used as the X-ray photoelectron spectroscopy apparatus, the sensitivity correction value unique to the apparatus is 3.04.

なお、ハロゲン化合物がフッ素の場合は、F1sピーク面積は、681〜691eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求め、装置固有の感度補正値は3.18を用いる。また、ハロゲン化合物が臭素の場合は、Br3dピーク面積は、65〜75eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求め、装置固有の感度補正値は3.66を用いる。 When the halogen compound is fluorine, the F 1s peak area is obtained by drawing a straight base line in the range of 681 to 691 eV, and 3.18 is used as the sensitivity correction value unique to the apparatus. When the halogen compound is bromine, the Br 3d peak area is obtained by drawing a straight base line in the range of 65 to 75 eV, and 3.66 is used as the sensitivity correction value unique to the apparatus.

本発明のサイジング剤塗布炭素繊維の主成分として用いられるエポキシ化合物(A)として、脂肪族エポキシ化合物(A1)、芳香族エポキシ化合物(A2)が挙げられるが、本発明では、エポキシ化合物(A)として、脂肪族エポキシ化合物(A1)を用いることを必須とする。 Examples of the epoxy compound (A) used as the main component of the sizing agent-coated carbon fiber of the present invention include an aliphatic epoxy compound (A1) and an aromatic epoxy compound (A2) . In the present invention, the epoxy compound (A) It is essential to use the aliphatic epoxy compound (A1).

本発明で好適に使用される脂肪族エポキシ化合物(A1)は、芳香環を含まないエポキシ化合物である。自由度の高い柔軟な骨格を有していることから、炭素繊維と強い相互作用を有することが可能である。その結果、サイジング剤を塗布した炭素繊維とマトリックス樹脂との接着性が向上する。   The aliphatic epoxy compound (A1) preferably used in the present invention is an epoxy compound containing no aromatic ring. Since it has a flexible skeleton with a high degree of freedom, it can have a strong interaction with carbon fibers. As a result, the adhesion between the carbon fiber coated with the sizing agent and the matrix resin is improved.

また、本発明で好適に使用される、芳香族エポキシ化合物(A2)は、分子内に芳香環を1個以上有するエポキシ化合物である。芳香環とは、炭素のみからなる芳香環炭化水素でも良いし、窒素あるいは酸素などのヘテロ原子を含むフラン、チオフェン、ピロール、イミダゾールなどの複素芳香環でも構わない。また、芳香環はナフタレン、アントラセンなどの多環式芳香環でも構わない。サイジング剤を塗布した炭素繊維とマトリックス樹脂とからなる炭素繊維強化複合材料において、炭素繊維近傍のいわゆる界面層は、炭素繊維あるいはサイジング剤の影響を受け、マトリックス樹脂とは異なる特性を有する場合がある。サイジング剤が芳香環を1個以上有する芳香族エポキシ化合物(A2)を含むと、剛直な界面層が形成され、炭素繊維とマトリックス樹脂との間の応力伝達能力が向上するため、好ましい。   Moreover, the aromatic epoxy compound (A2) preferably used in the present invention is an epoxy compound having one or more aromatic rings in the molecule. The aromatic ring may be an aromatic ring hydrocarbon consisting only of carbon, or a heteroaromatic ring such as furan, thiophene, pyrrole or imidazole containing a heteroatom such as nitrogen or oxygen. The aromatic ring may be a polycyclic aromatic ring such as naphthalene or anthracene. In a carbon fiber reinforced composite material composed of a carbon fiber coated with a sizing agent and a matrix resin, a so-called interface layer in the vicinity of the carbon fiber is affected by the carbon fiber or the sizing agent and may have different characteristics from the matrix resin. . When the sizing agent contains an aromatic epoxy compound (A2) having one or more aromatic rings, a rigid interface layer is formed, and the stress transmission capability between the carbon fiber and the matrix resin is improved, which is preferable.

なお、本発明においては、接着性の観点から、脂肪族エポキシ化合物(A1)が特に好ましい。   In the present invention, the aliphatic epoxy compound (A1) is particularly preferable from the viewpoint of adhesiveness.

本発明において、脂肪族エポキシ化合物(A1)の具体例としては、例えば、ポリオールから誘導されるグリシジルエーテル型エポキシ化合物、複数活性水素を有するアミンから誘導されるグリシジルアミン型エポキシ化合物、ポリカルボン酸から誘導されるグリシジルエステル型エポキシ化合物、および分子内に複数の二重結合を有する化合物を酸化して得られるエポキシ化合物が挙げられる。プリプレグを長時間保管した時の物性低下を抑制する観点から、グリシジルエーテル型エポキシ化合物、グリシジルエステル型エポキシ化合物が好ましい。   In the present invention, specific examples of the aliphatic epoxy compound (A1) include, for example, a glycidyl ether type epoxy compound derived from a polyol, a glycidyl amine type epoxy compound derived from an amine having a plurality of active hydrogens, and a polycarboxylic acid. Examples thereof include an induced glycidyl ester type epoxy compound and an epoxy compound obtained by oxidizing a compound having a plurality of double bonds in the molecule. From the viewpoint of suppressing deterioration of physical properties when the prepreg is stored for a long time, a glycidyl ether type epoxy compound and a glycidyl ester type epoxy compound are preferable.

グリシジルエーテル型エポキシ化合物としては、ポリオールとエピクロロヒドリンとの反応により得られるグリシジルエーテル型エポキシ化合物が挙げられる。たとえば、グリシジルエーテル型エポキシ化合物として、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、ポリエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、テトラプロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、トリメチレングリコール、1,2−ブタンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、2,3−ブタンジオール、ポリブチレングリコール、1,5−ペンタンジオール、ネオペンチルグリコール、1,6−ヘキサンジオール、1,4−シクロヘキサンジメタノール、水添ビスフェノールA、水添ビスフェノールF、グリセロール、ジグリセロール、ポリグリセロール、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ソルビトール、およびアラビトールから選択される1種と、エピクロロヒドリンとの反応により得られるグリシジルエーテル型エポキシ化合物である。また、このグリシジルエーテル型エポキシ化合物として、ジシクロペンタジエン骨格を有するグリシジルエーテル型エポキシ化合物も例示される。   Examples of the glycidyl ether type epoxy compound include a glycidyl ether type epoxy compound obtained by a reaction between a polyol and epichlorohydrin. For example, as a glycidyl ether type epoxy compound, ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, tetraethylene glycol, polyethylene glycol, propylene glycol, dipropylene glycol, tripropylene glycol, tetrapropylene glycol, polypropylene glycol, trimethylene glycol, 1, 2 -Butanediol, 1,3-butanediol, 1,4-butanediol, 2,3-butanediol, polybutylene glycol, 1,5-pentanediol, neopentyl glycol, 1,6-hexanediol, 1,4 -Cyclohexanedimethanol, hydrogenated bisphenol A, hydrogenated bisphenol F, glycerol, diglycerol, polyglycerol, trimethylolpropane, Pentaerythritol, sorbitol, and one and selected from arabitol, glycidyl ether type epoxy compound obtained by reaction with epichlorohydrin. Examples of the glycidyl ether type epoxy compound include a glycidyl ether type epoxy compound having a dicyclopentadiene skeleton.

グリシジルアミン型エポキシ化合物としては、例えば、1,3−ビス(アミノメチル)シクロヘキサンが挙げられる。   Examples of the glycidylamine type epoxy compound include 1,3-bis (aminomethyl) cyclohexane.

グリシジルエステル型エポキシ化合物としては、例えば、ダイマー酸を、エピクロロヒドリンと反応させて得られるグリシジルエステル型エポキシ化合物が挙げられる。   Examples of the glycidyl ester type epoxy compound include a glycidyl ester type epoxy compound obtained by reacting dimer acid with epichlorohydrin.

分子内に複数の2重結合を有する化合物を酸化させて得られるエポキシ化合物としては、例えば、分子内にエポキシシクロヘキサン環を有するエポキシ化合物が挙げられる。さらに、このエポキシ化合物としては、エポキシ化大豆油が挙げられる。   Examples of the epoxy compound obtained by oxidizing a compound having a plurality of double bonds in the molecule include an epoxy compound having an epoxycyclohexane ring in the molecule. Furthermore, the epoxy compound includes epoxidized soybean oil.

本発明に使用する脂肪族エポキシ化合物(A1)として、これらのエポキシ化合物以外にも、トリグリシジルイソシアヌレートのようなエポキシ化合物が挙げられる。   Examples of the aliphatic epoxy compound (A1) used in the present invention include epoxy compounds such as triglycidyl isocyanurate in addition to these epoxy compounds.

脂肪族エポキシ化合物(A1)としては、例えば、ソルビトール型ポリグリシジルエーテルおよびグリセロール型ポリグリシジルエーテル等が挙げられ、具体的には“デナコール(登録商標)”EX−611、EX−612、EX−614、EX−614B、EX−622、EX−512、EX−521、EX−421、EX−313、EX−314およびEX−321(ナガセケムテックス(株)製)等が挙げられる。   Examples of the aliphatic epoxy compound (A1) include sorbitol-type polyglycidyl ether and glycerol-type polyglycidyl ether. Specifically, “Denacol (registered trademark)” EX-611, EX-612, EX-614. , EX-614B, EX-622, EX-512, EX-521, EX-421, EX-313, EX-314 and EX-321 (manufactured by Nagase ChemteX Corporation).

エポキシ基に加えてアミド基を有する脂肪族エポキシ化合物(A1)としては、例えば、アミド変性エポキシ化合物等が挙げられる。アミド変性エポキシは脂肪族ジカルボン酸アミドのカルボキシル基に2個以上のエポキシ基を有するエポキシ化合物のエポキシ基を反応させることによって得ることができる。   Examples of the aliphatic epoxy compound (A1) having an amide group in addition to the epoxy group include an amide-modified epoxy compound. The amide-modified epoxy can be obtained by reacting an epoxy group of an epoxy compound having two or more epoxy groups with a carboxyl group of an aliphatic dicarboxylic acid amide.

エポキシ基に加えてウレタン基を有する脂肪族エポキシ化合物(A1)としては、例えば、ウレタン変性エポキシ化合物が挙げられ、具体的には“アデカレジン(登録商標)”EPU−78−13S、EPU−6、EPU−11、EPU−15、EPU−16A、EPU−16N、EPU−17T−6、EPU−1348およびEPU−1395((株)ADEKA製)等が挙げられる。または、ポリエチレンオキサイドモノアルキルエーテルの末端水酸基に、その水酸基量に対する反応当量の多価イソシアネートを反応させ、次いで得られた反応生成物のイソシアネート残基に多価エポキシ化合物内の水酸基と反応させることによって得ることができる。ここで、用いられる多価イソシアネートとしては、ヘキサメチレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、ノルボルナンジイソシアネートなどが挙げられる。   Examples of the aliphatic epoxy compound (A1) having a urethane group in addition to the epoxy group include a urethane-modified epoxy compound. Specifically, “Adeka Resin (registered trademark)” EPU-78-13S, EPU-6, EPU-11, EPU-15, EPU-16A, EPU-16N, EPU-17T-6, EPU-1348, EPU-1395 (manufactured by ADEKA Corporation) and the like can be mentioned. Alternatively, by reacting the terminal hydroxyl group of the polyethylene oxide monoalkyl ether with a polyvalent isocyanate equivalent to the amount of the hydroxyl group, and then reacting the isocyanate residue of the obtained reaction product with the hydroxyl group in the polyvalent epoxy compound. Can be obtained. Here, examples of the polyvalent isocyanate used include hexamethylene diisocyanate, isophorone diisocyanate, and norbornane diisocyanate.

エポキシ基に加えてウレア基を有する脂肪族エポキシ化合物(A1)としては、例えば、ウレア変性エポキシ化合物等が挙げられる。ウレア変性エポキシ化合物は脂肪族ジカルボン酸ウレアのカルボキシル基に2個以上のエポキシ基を有するエポキシ化合物のエポキシ基を反応させることによって得ることができる。   Examples of the aliphatic epoxy compound (A1) having a urea group in addition to the epoxy group include a urea-modified epoxy compound. The urea-modified epoxy compound can be obtained by reacting the epoxy group of an epoxy compound having two or more epoxy groups with the carboxyl group of the aliphatic dicarboxylic acid urea.

本発明で用いる脂肪族エポキシ化合物(A1)は、上述した中でも高い接着性の観点からグリセロール、ジグリセロール、ポリグリセロール、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ソルビトール、およびアラビトールから選択される1種と、エピクロロヒドリンとの反応により得られるグリシジルエーテル型エポキシ化合物がより好ましい。   The aliphatic epoxy compound (A1) used in the present invention is one selected from glycerol, diglycerol, polyglycerol, trimethylolpropane, pentaerythritol, sorbitol, and arabitol from the viewpoint of high adhesion among the above, A glycidyl ether type epoxy compound obtained by reaction with chlorohydrin is more preferred.

本発明において、脂肪族エポキシ化合物(A1)は、ポリグリセロールポリグリシジルエーテルがさらに好ましい。   In the present invention, the aliphatic epoxy compound (A1) is more preferably polyglycerol polyglycidyl ether.

本発明において使用する脂肪族エポキシ化合物(A1)のエポキシ価は3meq./g以上であることが好ましい。3meq./g以上であることで、水存在下で熱処理した時に水酸基を多く含むことができるため好ましい。また、脂肪族エポキシ化合物(A1)のエポキシ価は、4meq./g以上がより好ましい。炭素繊維に塗布されたサイジング剤に含まれる官能基数を制御する観点から15meq./g以下が好ましく、10meq./g以下がより好ましい。8meq./g以下がさらに好ましい。   The epoxy value of the aliphatic epoxy compound (A1) used in the present invention is preferably 3 meq./g or more. 3 meq. / G or more is preferable because many hydroxyl groups can be contained when heat-treated in the presence of water. The aliphatic epoxy compound (A1) has an epoxy value of 4 meq. / G or more is more preferable. From the viewpoint of controlling the number of functional groups contained in the sizing agent applied to the carbon fiber, 15 meq. / G or less is preferable, and 10 meq. / G or less is more preferable. 8 meq. / G or less is more preferable.

さらに、本発明のサイジング剤塗布炭素繊維に塗布されるサイジング剤には、目的に応じて、エポキシ化合物(A)以外の成分を含めることができる。サイジング剤塗布炭素繊維に収束性あるいは柔軟性を付与する材料を配合することで取扱い性、耐擦過性および耐毛羽性を高め、マトリックス樹脂の含浸性を向上させることができる。ポリエステルあるいはポリウレタンなどの一般的なサイジング剤を用いることができる。また、サイジング剤の安定性を目的として、分散剤および界面活性剤等の補助成分を添加しても良い。   Furthermore, components other than the epoxy compound (A) can be contained in the sizing agent applied to the sizing agent-coated carbon fiber of the present invention, depending on the purpose. By blending the sizing agent-coated carbon fiber with a material that imparts convergence or flexibility, the handling property, scratch resistance and fluff resistance can be improved, and the impregnation property of the matrix resin can be improved. A general sizing agent such as polyester or polyurethane can be used. For the purpose of stabilizing the sizing agent, auxiliary components such as a dispersant and a surfactant may be added.

本発明において、界面活性剤などの添加剤として例えば、ポリエチレンオキサイドやポリプロピレンオキサイド等のポリアルキレンオキサイド、高級アルコール、多価アルコール、アルキルフェノール、およびスチレン化フェノール等にポリエチレンオキサイドやポリプロピレンオキサイド等のポリアルキレンオキサイドが付加した化合物、およびエチレンオキサイドとプロピレンオキサイドとのブロック共重合体等のノニオン系界面活性剤が好ましく用いられる。また、本発明の効果に影響しない範囲で、適宜、ポリエステル樹脂、および不飽和ポリエステル化合物等を添加してもよい。   In the present invention, as additives such as surfactants, for example, polyalkylene oxides such as polyethylene oxide and polypropylene oxide, higher alcohols, polyhydric alcohols, alkylphenols, styrenated phenols and the like, polyalkylene oxides such as polyethylene oxide and polypropylene oxide, etc. Nonionic surfactants such as a compound to which is added and a block copolymer of ethylene oxide and propylene oxide are preferably used. Moreover, you may add a polyester resin, an unsaturated polyester compound, etc. suitably in the range which does not affect the effect of this invention.

本発明において、サイジング剤の炭素繊維への付着量は、サイジング剤塗布炭素繊維に対して、0.05〜5.0質量%の範囲であることが好ましく、より好ましくは0.05〜0.95質量%の範囲である。サイジング剤の付着量が0.05質量%以上であると、サイジング剤塗布炭素繊維をプリプレグ化および製織する際に、通過する金属ガイド等による摩擦に耐えることができ、毛羽発生が抑えられ、炭素繊維シートの平滑性などの品位が優れる。一方、サイジング剤の付着量が5.0質量%以下であると、サイジング剤塗布炭素繊維の周囲のサイジング剤膜に阻害されることなくマトリックス樹脂が炭素繊維内部に含浸され、得られる複合材料においてボイド生成が抑えられ、複合材料の品位が優れ、同時に機械物性が優れる。サイジング剤の付着量は上述の方法で求められる。   In this invention, it is preferable that the adhesion amount to the carbon fiber of a sizing agent is the range of 0.05-5.0 mass% with respect to sizing agent application | coating carbon fiber, More preferably, it is 0.05-0. The range is 95% by mass. When the sizing agent adhesion amount is 0.05% by mass or more, when the sizing agent-coated carbon fiber is prepreg and woven, it can withstand friction caused by a metal guide that passes therethrough, and generation of fluff is suppressed. Excellent quality such as smoothness of fiber sheet. On the other hand, if the amount of sizing agent deposited is 5.0% by mass or less, the matrix resin is impregnated inside the carbon fiber without being hindered by the sizing agent film around the sizing agent-coated carbon fiber. The generation of voids is suppressed, the quality of the composite material is excellent, and at the same time the mechanical properties are excellent. The adhesion amount of the sizing agent is determined by the method described above.

本発明において、炭素繊維に塗布され乾燥されたサイジング剤層の厚さは、2.0〜20nmの範囲内で、かつ、厚さの最大値が最小値の2倍を超えないことが好ましい。このような厚さの均一なサイジング剤層により、安定して大きな接着性向上効果が得られ、さらには、安定した高次加工性が得られる。   In the present invention, the thickness of the sizing agent layer applied to the carbon fiber and dried is preferably within a range of 2.0 to 20 nm, and the maximum value of the thickness does not exceed twice the minimum value. With such a uniform sizing agent layer, a large effect of improving adhesiveness can be obtained stably, and further, stable high-order workability can be obtained.

次に、本発明で使用する炭素繊維について説明する。本発明において使用する炭素繊維としては、例えば、ポリアクリロニトリル(PAN)系、レーヨン系およびピッチ系の炭素繊維が挙げられる。なかでも、強度と弾性率のバランスに優れたPAN系炭素繊維が好ましく用いられる。   Next, the carbon fiber used in the present invention will be described. Examples of the carbon fiber used in the present invention include polyacrylonitrile (PAN) -based, rayon-based, and pitch-based carbon fibers. Of these, PAN-based carbon fibers having an excellent balance between strength and elastic modulus are preferably used.

本発明にかかる炭素繊維は、得られた炭素繊維束のストランド強度が、3.5GPa以上であることが好ましく、より好ましくは4GPa以上であり、さらに好ましくは5GPa以上である。また、得られた炭素繊維束のストランド弾性率が、220GPa以上であることが好ましく、より好ましくは240GPa以上であり、さらに好ましくは280GPa以上である。   In the carbon fiber according to the present invention, the strand strength of the obtained carbon fiber bundle is preferably 3.5 GPa or more, more preferably 4 GPa or more, and further preferably 5 GPa or more. Moreover, it is preferable that the strand elastic modulus of the obtained carbon fiber bundle is 220 GPa or more, More preferably, it is 240 GPa or more, More preferably, it is 280 GPa or more.

本発明において、上記の炭素繊維束のストランド引張強度と弾性率は、JIS−R−7608(2004)の樹脂含浸ストランド試験法に準拠し、次の手順に従い求めることができる。樹脂処方としては、“セロキサイド(登録商標)”2021P(ダイセル化学工業社製)/3フッ化ホウ素モノエチルアミン(東京化成工業(株)製)/アセトン=100/3/4(質量部)を用い、硬化条件としては、常圧、130℃、30分を用いる。炭素繊維束のストランド10本を測定し、その平均値をストランド引張強度およびストランド弾性率とした。   In the present invention, the strand tensile strength and elastic modulus of the carbon fiber bundle can be determined according to the following procedure in accordance with the resin impregnated strand test method of JIS-R-7608 (2004). As the resin formulation, “Celoxide (registered trademark)” 2021P (manufactured by Daicel Chemical Industries) / 3 boron trifluoride monoethylamine (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) / Acetone = 100/3/4 (part by mass) is used. As curing conditions, normal pressure, 130 ° C., and 30 minutes are used. Ten strands of the carbon fiber bundle were measured, and the average value was defined as the strand tensile strength and the strand elastic modulus.

本発明において用いられる炭素繊維は、表面粗さ(Ra)が6.0〜100nmであることが好ましい。より好ましくは15〜80nmであり、30〜60nmが好適である。表面粗さ(Ra)が6.0〜60nmである炭素繊維は、表面に高活性なエッジ部分を有するため、前述したサイジング剤のエポキシ基等との反応性が向上し、界面接着性を向上することができ好ましい。また、表面粗さ(Ra)が6.0〜100nmである炭素繊維は、表面に凹凸を有しているため、サイジング剤のアンカー効果によって界面接着性を向上することができ好ましい。   The carbon fiber used in the present invention preferably has a surface roughness (Ra) of 6.0 to 100 nm. More preferably, it is 15-80 nm, and 30-60 nm is suitable. Carbon fiber with a surface roughness (Ra) of 6.0 to 60 nm has a highly active edge portion on the surface, so the reactivity with the epoxy group of the sizing agent described above is improved and the interfacial adhesion is improved. This is preferable. Moreover, since the carbon fiber whose surface roughness (Ra) is 6.0-100 nm has an unevenness | corrugation on the surface, it can improve interface adhesiveness by the anchor effect of a sizing agent, and is preferable.

炭素繊維表面の平均粗さ(Ra)は、原子間力顕微鏡(AFM)を用いることにより測定することができる。例えば、炭素繊維を長さ数mm程度にカットしたものを用意し、銀ペーストを用いて基板(シリコンウエハ)上に固定し、原子間力顕微鏡(AFM)によって各単繊維の中央部において、3次元表面形状の像を観測すればよい。原子間力顕微鏡としてはDigital Instuments社製 NanoScope IIIaにおいてDimension 3000ステージシステムなどが使用可能であり、以下の観測条件で観測することができる。
・走査モード:タッピングモード
・探針:シリコンカンチレバー
・走査範囲:0.6μm×0.6μm
・走査速度:0.3Hz
・ピクセル数:512×512
・測定環境:室温、大気中。
The average roughness (Ra) of the carbon fiber surface can be measured by using an atomic force microscope (AFM). For example, a carbon fiber cut to several millimeters in length is prepared, fixed on a substrate (silicon wafer) using a silver paste, and 3 atomic fibers at the center of each single fiber by an atomic force microscope (AFM). What is necessary is just to observe the image of a three-dimensional surface shape. As an atomic force microscope, a Dimension 3000 stage system or the like can be used in NanoScope IIIa manufactured by Digital Instruments and can be observed under the following observation conditions.
・ Scanning mode: Tapping mode ・ Probe: Silicon cantilever ・ Scanning range: 0.6μm × 0.6μm
・ Scanning speed: 0.3Hz
-Number of pixels: 512 × 512
・ Measurement environment: Room temperature, in air.

また、各試料について、単繊維1本から1箇所ずつ観察して得られた像について、繊維断面の丸みを3次曲面で近似し、得られた像全体を対象として、平均粗さ(Ra)を算出し、単繊維5本について、平均粗さ(Ra)を求め、平均値を評価することが好ましい。   In addition, for each sample, an image obtained by observing one single fiber from one point at a time approximates the roundness of the fiber cross section with a cubic surface, and the average roughness (Ra) for the entire image obtained. It is preferable to calculate the average roughness (Ra) and evaluate the average value for five single fibers.

本発明において炭素繊維の総繊度は、400〜3000テックスであることが好ましい。また、炭素繊維のフィラメント数は好ましくは1000〜100000本であり、さらに好ましくは3000〜50000本である。   In the present invention, the total fineness of the carbon fibers is preferably 400 to 3000 tex. Moreover, the number of filaments of carbon fiber is preferably 1000 to 100,000, and more preferably 3000 to 50000.

本発明において、炭素繊維の単繊維径は4.5〜7.5μmが好ましい。7.5μm以下であることで、強度と弾性率の高い炭素繊維を得られるため、好ましく用いられる。6μm以下であることがより好ましく、さらには5.5μm以下であることが好ましい。4.5μm以上で工程における単繊維切断が起きにくくなり生産性が低下しにくく好ましい。   In the present invention, the single fiber diameter of the carbon fiber is preferably 4.5 to 7.5 μm. Since it is 7.5 micrometers or less, since a carbon fiber with high intensity | strength and elastic modulus can be obtained, it is used preferably. More preferably, it is 6 μm or less, and further preferably 5.5 μm or less. When the thickness is 4.5 μm or more, it is difficult to cause single fiber cutting in the process, and productivity is hardly lowered.

本発明において、炭素繊維としては、X線光電子分光法により測定されるその繊維表面の酸素(O)と炭素(C)の原子数の比である表面酸素濃度(O/C)が、0.05〜0.50の範囲内であるものが好ましく、より好ましくは0.06〜0.30の範囲内のものであり、さらに好ましくは0.07〜0.25の範囲内のものである。表面酸素濃度(O/C)が0.05以上であることにより、炭素繊維表面の酸素含有官能基を確保し、マトリックス樹脂との強固な接着を得ることができる。また、表面酸素濃度(O/C)が0.50以下であることにより、酸化による炭素繊維自体の強度の低下を抑えることができる。   In the present invention, the carbon fiber has a surface oxygen concentration (O / C), which is a ratio of the number of atoms of oxygen (O) and carbon (C) on the fiber surface measured by X-ray photoelectron spectroscopy. The thing within the range of 05-0.50 is preferable, More preferably, it is a thing within the range of 0.06-0.30, More preferably, it is a thing within the range of 0.07-0.25. When the surface oxygen concentration (O / C) is 0.05 or more, an oxygen-containing functional group on the surface of the carbon fiber can be secured and strong adhesion with the matrix resin can be obtained. Moreover, when the surface oxygen concentration (O / C) is 0.50 or less, a decrease in strength of the carbon fiber itself due to oxidation can be suppressed.

炭素繊維の表面酸素濃度は、X線光電子分光法により、次の手順に従って求めたものである。まず、溶剤で炭素繊維表面に付着している汚れなどを除去した炭素繊維を20mmにカットして、銅製の試料支持台に拡げて並べた後、X線源としてAlKα1,2を用い、試料チャンバー中を1×10−8Torrに保ち測定した。光電子脱出角度90°で測定した。測定時の帯電に伴うピークの補正値としてC1sのメインピーク(ピークトップ)の結合エネルギー値を284.6eVに合わせる。C1sピーク面積は、282〜296eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求め、O1sピーク面積は、528〜540eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求められる。表面酸素濃度(O/C)は、上記O1sピーク面積の比を装置固有の感度補正値で割ることにより算出した原子数比で表す。X線光電子分光法装置として、アルバック・ファイ(株)製ESCA−1600を用いる場合、上記装置固有の感度補正値は2.33である。 The surface oxygen concentration of the carbon fiber is determined by X-ray photoelectron spectroscopy according to the following procedure. First, carbon fibers from which dirt and the like adhering to the carbon fiber surface were removed with a solvent were cut to 20 mm, spread and arranged on a copper sample support base, and then AlKα 1 and 2 were used as an X-ray source. The inside of the chamber was measured at 1 × 10 −8 Torr. Measurement was performed at a photoelectron escape angle of 90 °. As a correction value for the peak accompanying charging during measurement, the binding energy value of the C 1s main peak (peak top) is adjusted to 284.6 eV. The C 1s peak area is obtained by drawing a straight base line in the range of 282 to 296 eV, and the O 1s peak area is obtained by drawing a straight base line in the range of 528 to 540 eV. The surface oxygen concentration (O / C) is represented by an atomic ratio calculated by dividing the ratio of the O 1s peak area by the sensitivity correction value unique to the apparatus. When ESCA-1600 manufactured by ULVAC-PHI Co., Ltd. is used as the X-ray photoelectron spectroscopy apparatus, the sensitivity correction value unique to the apparatus is 2.33.

本発明に用いる炭素繊維は、化学修飾X線光電子分光法により測定される炭素繊維表面のカルボキシル基(COOH)と炭素(C)の原子数の比で表される表面カルボキシル基濃度(COOH/C)が、0.003〜0.015の範囲内であることが好ましい。炭素繊維表面のカルボキシル基濃度(COOH/C)の、より好ましい範囲は、0.004〜0.010である。また、本発明に用いる炭素繊維は、化学修飾X線光電子分光法により測定される炭素繊維表面の水酸基(OH)と炭素(C)の原子数の比で表される表面水酸基濃度(COH/C)が、0.001〜0.050の範囲内であることが好ましい。炭素繊維表面の表面水酸基濃度(COH/C)は、より好ましくは0.010〜0.040の範囲である。   The carbon fiber used in the present invention has a surface carboxyl group concentration (COOH / C) represented by the ratio of the number of carbon group (COOH) and carbon (C) atoms measured by chemical modification X-ray photoelectron spectroscopy. ) Is preferably in the range of 0.003 to 0.015. A more preferable range of the carboxyl group concentration (COOH / C) on the carbon fiber surface is 0.004 to 0.010. The carbon fiber used in the present invention has a surface hydroxyl group concentration (COH / C) expressed by the ratio of the number of hydroxyl groups (OH) and carbon (C) on the surface of the carbon fiber measured by chemical modification X-ray photoelectron spectroscopy. ) Is preferably in the range of 0.001 to 0.050. The surface hydroxyl group concentration (COH / C) on the carbon fiber surface is more preferably in the range of 0.010 to 0.040.

炭素繊維の表面カルボキシル基濃度(COOH/C)、水酸基濃度(COH/C)は、X線光電子分光法により、次の手順に従って求められるものである。   The surface carboxyl group concentration (COOH / C) and hydroxyl group concentration (COH / C) of the carbon fiber are determined by X-ray photoelectron spectroscopy according to the following procedure.

表面水酸基濃度(COH/C)は、次の手順に従って化学修飾X線光電子分光法により求められる。先ず、溶媒でサイジング剤などを除去した炭素繊維束をカットして白金製の試料支持台上に拡げて並べ、0.04モル/リットルの無水3弗化酢酸気体を含んだ乾燥窒素ガス中に室温で10分間さらし、化学修飾処理した後、X線光電子分光装置に光電子脱出角度を35゜としてマウントし、X線源としてAlKα1,2を用い、試料チャンバー内を1×10−8Torrの真空度に保つ。測定時の帯電に伴うピークの補正として、まずC1sの主ピークの結合エネルギー値を284.6eVに合わせる。C1sピーク面積[C1s]は、282〜296eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求め、F1sピーク面積[F1s]は、682〜695eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求められる。また、同時に化学修飾処理したポリビニルアルコールのC1sピーク分割から反応率rが求められる。 The surface hydroxyl group concentration (COH / C) is determined by chemical modification X-ray photoelectron spectroscopy according to the following procedure. First, carbon fiber bundles from which the sizing agent and the like have been removed with a solvent are cut, spread and arranged on a platinum sample support, and placed in dry nitrogen gas containing 0.04 mol / liter of anhydrous trifluoride acetic acid gas. After 10 minutes of exposure at room temperature and chemical modification treatment, it was mounted on an X-ray photoelectron spectrometer with a photoelectron escape angle of 35 °, AlKα 1 , 2 was used as the X-ray source, and the inside of the sample chamber was 1 × 10 −8 Torr. Keep the degree of vacuum. As correction of the peak accompanying charging during measurement, first, the binding energy value of the main peak of C 1s is adjusted to 284.6 eV. The C 1s peak area [C 1s ] is obtained by drawing a straight base line in the range of 282 to 296 eV, and the F 1s peak area [F 1s ] is obtained by drawing a straight base line in the range of 682 to 695 eV. Desired. Moreover, reaction rate r is calculated | required from C1s peak division | segmentation of the polyvinyl alcohol chemically modified simultaneously.

表面水酸基濃度(COH/C)は、下式により算出した値で表される。   The surface hydroxyl group concentration (COH / C) is represented by a value calculated by the following equation.

COH/C={[F1s]/(3k[C1s]−2[F1s])r}×100(%)
なお、kは装置固有のC1sピーク面積に対するF1sピーク面積の感度補正値であり、米国SSI社製モデルSSX−100−206を用いる場合、上記装置固有の感度補正値は3.919である。
COH / C = {[F 1s ] / (3k [C 1s ] −2 [F 1s ]) r} × 100 (%)
Note that k is the sensitivity correction value of the F 1s peak area with respect to the C 1s peak area unique to the apparatus, and when using the model SSX-100-206 manufactured by SSI of the United States, the sensitivity correction value specific to the apparatus is 3.919. .

表面カルボキシル基濃度(COOH/C)は、次の手順に従って化学修飾X線光電子分光法により求められる。先ず、溶媒でサイジング剤などを除去した炭素繊維束をカットして白金製の試料支持台上に拡げて並べ、0.02モル/リットルの3弗化エタノール気体、0.001モル/リットルのジシクロヘキシルカルボジイミド気体および0.04モル/リットルのピリジン気体を含む空気中に60℃で8時間さらし、化学修飾処理した後、X線光電子分光装置に光電子脱出角度を35゜としてマウントし、X線源としてAlKα1,2を用い、試料チャンバー内を1×10−8Torrの真空度に保つ。測定時の帯電に伴うピークの補正として、まずC1sの主ピークの結合エネルギー値を284.6eVに合わせる。C1sピーク面積[C1s]は、282〜296eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求め、F1sピーク面積[F1s]は、682〜695eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求められる。また、同時に化学修飾処理したポリアクリル酸のC1sピーク分割から反応率rを、O1sピーク分割からジシクロヘキシルカルボジイミド誘導体の残存率mが求められる。 The surface carboxyl group concentration (COOH / C) is determined by chemical modification X-ray photoelectron spectroscopy according to the following procedure. First, carbon fiber bundles from which the sizing agent and the like have been removed with a solvent are cut and spread and arranged on a platinum sample support, and 0.02 mol / liter of trifluorinated ethanol gas, 0.001 mol / liter of dicyclohexyl. After exposure to air containing carbodiimide gas and 0.04 mol / liter pyridine gas at 60 ° C. for 8 hours and chemical modification treatment, it was mounted on an X-ray photoelectron spectrometer with a photoelectron escape angle of 35 ° as an X-ray source. Using AlKα 1 and 2 , the inside of the sample chamber is kept at a vacuum of 1 × 10 −8 Torr. As correction of the peak accompanying charging during measurement, first, the binding energy value of the main peak of C 1s is adjusted to 284.6 eV. The C 1s peak area [C 1s ] is obtained by drawing a straight base line in the range of 282 to 296 eV, and the F 1s peak area [F 1s ] is obtained by drawing a straight base line in the range of 682 to 695 eV. Desired. Simultaneously, the reaction rate r is determined from the C 1s peak splitting of the polyacrylic acid chemically modified, and the residual rate m of the dicyclohexylcarbodiimide derivative is determined from the O 1s peak splitting.

表面カルボキシル基濃度COOH/Cは、下式により算出した値で表した。   The surface carboxyl group concentration COOH / C was represented by the value calculated by the following formula.

COOH/C={[F1s]/(3k[C1s]−(2+13m)[F1s])r}×100(%)
なお、kは装置固有のC1sピーク面積に対するF1sピーク面積の感度補正値であり、米国SSI社製モデルSSX−100−206を用いる場合の、上記装置固有の感度補正値は3.919である。
COOH / C = {[F 1s ] / (3k [C 1s ] − (2 + 13 m) [F 1s ]) r} × 100 (%)
Note that k is the sensitivity correction value of the F 1s peak area with respect to the C 1s peak area unique to the apparatus, and the sensitivity correction value specific to the apparatus when using the model SSX-100-206 manufactured by SSI of the United States is 3.919. is there.

次に、PAN系炭素繊維の製造方法について説明する。   Next, a method for producing a PAN-based carbon fiber will be described.

炭素繊維の前駆体繊維を得るための紡糸方法としては、湿式、乾式および乾湿式等の紡糸方法を用いることができる。高強度の炭素繊維が得られやすいという観点から、湿式あるいは乾湿式紡糸方法を用いることが好ましい。特に乾湿式紡糸方法を用いることで、強度の高い炭素繊維を得ることができることから、より好ましい。   As a spinning method for obtaining a carbon fiber precursor fiber, spinning methods such as wet, dry, and dry-wet can be used. From the viewpoint of easily obtaining high-strength carbon fibers, it is preferable to use a wet or dry wet spinning method. In particular, the use of a dry and wet spinning method is more preferable because carbon fibers having high strength can be obtained.

炭素繊維とマトリックス樹脂との接着性をさらに向上するために、表面粗さ(Ra)が6.0〜100nmの炭素繊維が好ましく、該表面粗さの炭素繊維を得るためには、湿式紡糸方法により前駆体繊維を紡糸することが好ましい。   In order to further improve the adhesion between the carbon fiber and the matrix resin, a carbon fiber having a surface roughness (Ra) of 6.0 to 100 nm is preferable. In order to obtain a carbon fiber having the surface roughness, a wet spinning method is used. Preferably, the precursor fiber is spun by.

紡糸原液には、ポリアクリロニトリルのホモポリマーあるいは共重合体を溶剤に溶解した溶液を用いることができる。溶剤としてはジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミドなどの有機溶剤や、硝酸、ロダン酸ソーダ、塩化亜鉛、チオシアン酸ナトリウムなどの無機化合物の水溶液を使用する。ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミドが溶剤として好適である。   As the spinning dope, a solution obtained by dissolving a homopolymer or copolymer of polyacrylonitrile in a solvent can be used. As the solvent, an organic solvent such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, or dimethylacetamide, or an aqueous solution of an inorganic compound such as nitric acid, sodium rhodanate, zinc chloride, or sodium thiocyanate is used. Dimethyl sulfoxide and dimethylacetamide are suitable as the solvent.

上記の紡糸原液を口金に通して紡糸し、紡糸浴中、あるいは空気中に吐出した後、紡糸浴中で凝固させる。紡糸浴としては、紡糸原液の溶剤として使用した溶剤の水溶液を用いることができる。紡糸原液の溶剤と同じ溶剤を含む紡糸液とすることが好ましく、ジメチルスルホキシド水溶液、ジメチルアセトアミド水溶液が好適である。紡糸浴中で凝固した繊維を、水洗、延伸して前駆体繊維とする。得られた前駆体繊維を耐炎化処理ならびに炭化処理し、必要によってはさらに黒鉛化処理をすることにより炭素繊維を得る。炭化処理と黒鉛化処理の条件としては、最高熱処理温度が1100℃以上であることが好ましく、より好ましくは1400〜3000℃である。   The above spinning solution is spun through a die, discharged in a spinning bath or in the air, and then coagulated in the spinning bath. As the spinning bath, an aqueous solution of a solvent used as a solvent for the spinning dope can be used. It is preferable to use a spinning solution containing the same solvent as the spinning solution, and a dimethyl sulfoxide aqueous solution and a dimethylacetamide aqueous solution are preferable. The fiber solidified in the spinning bath is washed with water and drawn to obtain a precursor fiber. The obtained precursor fiber is subjected to flameproofing treatment and carbonization treatment, and if necessary, further subjected to graphitization treatment to obtain carbon fiber. As conditions for carbonization treatment and graphitization treatment, the maximum heat treatment temperature is preferably 1100 ° C. or higher, more preferably 1400 to 3000 ° C.

得られた炭素繊維は、マトリックス樹脂との接着性を向上させるために、通常、酸化処理が施され、これにより、酸素含有官能基が導入される。酸化処理方法としては、気相酸化、液相酸化および液相電解酸化が用いられるが、生産性が高く、均一処理ができるという観点から、液相電解酸化が好ましく用いられる。   The obtained carbon fiber is usually subjected to an oxidation treatment in order to improve the adhesiveness with the matrix resin, whereby oxygen-containing functional groups are introduced. As the oxidation treatment method, vapor phase oxidation, liquid phase oxidation, and liquid phase electrolytic oxidation are used. From the viewpoint of high productivity and uniform treatment, liquid phase electrolytic oxidation is preferably used.

本発明において、液相電解酸化で用いられる電解液としては、酸性電解液およびアルカリ性電解液が挙げられるが、接着性の観点からアルカリ性電解液中で液相電解酸化した後、サイジング剤を塗布することがより好ましい。   In the present invention, examples of the electrolytic solution used in the liquid phase electrolytic oxidation include an acidic electrolytic solution and an alkaline electrolytic solution. From the viewpoint of adhesion, a liquid phase electrolytic oxidation is performed in an alkaline electrolytic solution, and then a sizing agent is applied. It is more preferable.

酸性電解液としては、例えば、硫酸、硝酸、塩酸、燐酸、ホウ酸、および炭酸等の無機酸、酢酸、酪酸、シュウ酸、アクリル酸、およびマレイン酸等の有機酸、または硫酸アンモニウムや硫酸水素アンモニウム等の塩が挙げられる。なかでも、強酸性を示す硫酸と硝酸が好ましく用いられる。   Examples of the acidic electrolyte include inorganic acids such as sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, phosphoric acid, boric acid, and carbonic acid, organic acids such as acetic acid, butyric acid, oxalic acid, acrylic acid, and maleic acid, or ammonium sulfate and ammonium hydrogen sulfate. And the like. Of these, sulfuric acid and nitric acid exhibiting strong acidity are preferably used.

アルカリ性電解液としては、具体的には、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウムおよび水酸化バリウム等の水酸化物の水溶液、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸バリウムおよび炭酸アンモニウム等の炭酸塩の水溶液、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム、炭酸水素マグネシウム、炭酸水素カルシウム、炭酸水素バリウムおよび炭酸水素アンモニウム等の炭酸水素塩の水溶液、アンモニア、水酸化テトラアルキルアンモニウムおよびヒドラジンの水溶液等が挙げられる。なかでも、マトリックス樹脂の硬化阻害を引き起こすアルカリ金属を含まないという観点から、炭酸アンモニウムおよび炭酸水素アンモニウムの水溶液、あるいは、強アルカリ性を示す水酸化テトラアルキルアンモニウムの水溶液が好ましく用いられる。   Specific examples of the alkaline electrolyte include aqueous solutions of hydroxides such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, magnesium hydroxide, calcium hydroxide and barium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, magnesium carbonate, calcium carbonate, Aqueous solutions of carbonates such as barium carbonate and ammonium carbonate, aqueous solutions of bicarbonates such as sodium bicarbonate, potassium bicarbonate, magnesium bicarbonate, calcium bicarbonate, barium bicarbonate and ammonium bicarbonate, ammonia, tetraalkylammonium hydroxide And an aqueous solution of hydrazine. Among these, from the viewpoint of not containing an alkali metal that causes curing inhibition of the matrix resin, an aqueous solution of ammonium carbonate and ammonium hydrogen carbonate or an aqueous solution of tetraalkylammonium hydroxide exhibiting strong alkalinity is preferably used.

本発明において用いられる電解液の濃度は、0.01〜5mol/Lの範囲内であることが好ましく、より好ましくは0.1〜1mol/Lの範囲内である。電解液の濃度が0.01mol/L以上であると、電解処理電圧が下げられ、運転コスト的に有利になる。一方、電解液の濃度が5mol/L以下であると、安全性の観点から有利になる。   The concentration of the electrolytic solution used in the present invention is preferably in the range of 0.01 to 5 mol / L, more preferably in the range of 0.1 to 1 mol / L. When the concentration of the electrolytic solution is 0.01 mol / L or more, the electrolytic treatment voltage is lowered, which is advantageous in terms of operating cost. On the other hand, when the concentration of the electrolytic solution is 5 mol / L or less, it is advantageous from the viewpoint of safety.

本発明において用いられる電解液の温度は、10〜100℃の範囲内であることが好ましく、より好ましくは10〜40℃の範囲内である。電解液の温度が10℃以上であると、電解処理の効率が向上し、運転コスト的に有利になる。一方、電解液の温度が100℃未満であると、安全性の観点から有利になる。   The temperature of the electrolytic solution used in the present invention is preferably in the range of 10 to 100 ° C, more preferably in the range of 10 to 40 ° C. When the temperature of the electrolytic solution is 10 ° C. or higher, the efficiency of the electrolytic treatment is improved, which is advantageous in terms of operating cost. On the other hand, when the temperature of the electrolytic solution is less than 100 ° C., it is advantageous from the viewpoint of safety.

本発明において、液相電解酸化における電気量は、炭素繊維の炭化度に合わせて最適化することが好ましく、高弾性率の炭素繊維に処理を施す場合、より大きな電気量が必要である。   In the present invention, the amount of electricity in the liquid phase electrolytic oxidation is preferably optimized in accordance with the carbonization degree of the carbon fiber, and a larger amount of electricity is required when processing the carbon fiber having a high elastic modulus.

本発明において、液相電解酸化における電流密度は、電解処理液中の炭素繊維の表面積1m当たり1.5〜1000アンペア/mの範囲内であることが好ましく、より好ましくは3〜500アンペア/mの範囲内である。電流密度が1.5アンペア/m以上であると、電解処理の効率が向上し、運転コスト的に有利になる。一方、電流密度が1000アンペア/m以下であると、安全性の観点から有利になる。 In the present invention, the current density in the liquid phase electrolytic oxidation is preferably in the range of 1.5 to 1000 amperes / m 2 per 1 m 2 of the surface area of the carbon fiber in the electrolytic treatment solution, more preferably 3 to 500 amperes. / M 2 within the range. When the current density is 1.5 amperes / m 2 or more, the efficiency of the electrolytic treatment is improved, which is advantageous in terms of operating cost. On the other hand, when the current density is 1000 amperes / m 2 or less, it is advantageous from the viewpoint of safety.

本発明において、電解処理の後、炭素繊維を水洗および乾燥することが好ましい。洗浄する方法としては、例えば、ディップ法またはスプレー法を用いることができる。なかでも、洗浄が容易であるという観点から、ディップ法を用いることが好ましく、さらには、炭素繊維を超音波で加振させながらディップ法を用いることが好ましい態様である。また、乾燥温度が高すぎると炭素繊維の最表面に存在する官能基は熱分解により消失し易いため、できる限り低い温度で乾燥することが望ましく、具体的には乾燥温度が好ましくは250℃以下、さらに好ましくは210℃以下で乾燥することが好ましい。一方、乾燥の効率を考慮すれば、乾燥温度は、110℃以上であることが好ましく、140℃以上であることがより好ましい。   In the present invention, it is preferable to wash and dry the carbon fiber after the electrolytic treatment. As a cleaning method, for example, a dip method or a spray method can be used. Especially, it is preferable to use a dip method from a viewpoint that washing | cleaning is easy, Furthermore, it is a preferable aspect to use a dip method, vibrating a carbon fiber with an ultrasonic wave. Also, if the drying temperature is too high, the functional groups present on the outermost surface of the carbon fiber are likely to disappear due to thermal decomposition, so it is desirable to dry at the lowest possible temperature. Specifically, the drying temperature is preferably 250 ° C. or lower. More preferably, drying is performed at 210 ° C. or lower. On the other hand, considering the efficiency of drying, the drying temperature is preferably 110 ° C. or higher, and more preferably 140 ° C. or higher.

次に、本発明のサイジング剤塗布炭素繊維の製造方法について説明する。   Next, the manufacturing method of the sizing agent application | coating carbon fiber of this invention is demonstrated.

本発明のサイジング剤塗布炭素繊維の製造方法は、以下の(V)または/および(VI)を満たす工程を含むことが好ましい。
(V)水存在下20〜150℃で0.5〜20000時間熱処理したエポキシ化合物(A)を主成分とするサイジング剤含有液を炭素繊維に塗布する工程。
(VI)エポキシ化合物(A)を主成分とするサイジング剤含有液を炭素繊維に塗布し乾燥後に、さらに20〜150℃、湿度50〜90%の湿潤下で20〜20000時間熱処理する工程。
It is preferable that the manufacturing method of the sizing agent application | coating carbon fiber of this invention includes the process of satisfy | filling the following (V) or / and (VI).
(V) The process of apply | coating to the carbon fiber the sizing agent containing liquid which has as a main component the epoxy compound (A) heat-processed at 20-150 degreeC for 0.5 to 20000 hours in presence of water.
(VI) A step of applying a sizing agent-containing liquid containing the epoxy compound (A) as a main component to carbon fibers and drying, followed by heat treatment for 20 to 20000 hours under wet conditions of 20 to 150 ° C. and humidity of 50 to 90%.

上記方法によって、特定の割合で水酸基、エポキシ基を持つサイジング剤塗布炭素繊維を好適に得ることができる。   By the above method, a sizing agent-coated carbon fiber having a hydroxyl group and an epoxy group at a specific ratio can be suitably obtained.

本発明のサイジング剤塗布炭素繊維の製造方法は、熱処理により、(V)に示す熱処理をする前のエポキシ価(b1)と熱処理をした後のエポキシ価(b2)、および前記(VI)に示す熱処理をする前のエポキシ価(b3)と熱処理をした後のエポキシ価(b4)が(VII)を満たすものとすることが好ましい。
(VII)1.5≦[(b1)/(b2)]×[(b3)/(b4)]≦10
上記範囲を満たすことで、加水分解によりエポキシ基と水酸基の比率が好ましい範囲に入ることができる。前記[(b1)/(b2)]×[(b3)/(b4)]は、2以上がより好ましく、また、5以下がより好ましい。
The method for producing sizing agent-coated carbon fibers of the present invention includes the epoxy value (b1) before the heat treatment shown in (V), the epoxy value (b2) after the heat treatment, and the above (VI). It is preferable that the epoxy value (b3) before the heat treatment and the epoxy value (b4) after the heat treatment satisfy (VII).
(VII) 1.5 ≦ [(b1) / (b2)] × [(b3) / (b4)] ≦ 10
By satisfy | filling the said range, the ratio of an epoxy group and a hydroxyl group can enter into a preferable range by hydrolysis. [[B1) / (b2)] × [(b3) / (b4)] is more preferably 2 or more, and more preferably 5 or less.

本発明は、炭素繊維にサイジング剤を塗布する前にエポキシ化合物(A)を水存在下で熱処理する方法が好ましく用いられる。   In the present invention, a method of heat-treating the epoxy compound (A) in the presence of water before applying a sizing agent to carbon fibers is preferably used.

水存在下で加熱をすることで、エポキシ基の加水分解が促進され、水酸基の割合を増加させることができる。なお、水存在下で加熱をした後で、エポキシ化合物(A)を長期保管する場合あるいはサイジング剤含有液の溶液として水以外を用いる場合には、水を留去することが好ましい。水分量を200ppm以下にして保管することが好ましい。また、100ppm以下であることがより好ましい。水分量を200ppm以下にすることで、長期保管時のエポキシ価の低下を抑制できる。サイジング剤含有液として水を溶媒として用いる場合には、エポキシ化合物(A)を熱処理する時に用いた水を留去せずに、そのままサイジング剤含有液として用いても良い。   By heating in the presence of water, hydrolysis of the epoxy group is promoted, and the proportion of the hydroxyl group can be increased. In addition, after heating in presence of water, when storing an epoxy compound (A) for a long term, or when using other than water as a solution of a sizing agent containing liquid, it is preferable to distill water off. It is preferable to store the water content at 200 ppm or less. Moreover, it is more preferable that it is 100 ppm or less. By setting the water content to 200 ppm or less, it is possible to suppress a decrease in the epoxy value during long-term storage. When water is used as the solvent as the sizing agent-containing liquid, the water used when the epoxy compound (A) is heat-treated may be used as it is as the sizing agent-containing liquid without distilling off the water.

水存在下で熱処理する時の、水溶液中のエポキシ化合物(A)の濃度は0.2質量%以上を採用することが好ましい。0.2質量%以上で、サイジング剤含有液として用いる時に水を除去して濃縮する必要がないから好ましい。上限は、水が存在していれば良く限定されないが、攪拌性を向上することで均一に熱処理する観点からエポキシ化合物(A)は95質量%以下が好ましい。   When the heat treatment is performed in the presence of water, the concentration of the epoxy compound (A) in the aqueous solution is preferably 0.2% by mass or more. It is preferably 0.2% by mass or more because it is not necessary to remove and concentrate water when used as a sizing agent-containing liquid. The upper limit is not limited as long as water is present, but the epoxy compound (A) is preferably 95% by mass or less from the viewpoint of uniformly heat-treating by improving the stirrability.

熱処理温度は、20℃以上、150℃以下が好ましい。20℃以上で反応が促進され、150℃以下の物性劣化が抑制される。98℃以下にすることで常圧処理できることから好ましい。50℃以上、90℃以下が好ましい。   The heat treatment temperature is preferably 20 ° C. or higher and 150 ° C. or lower. The reaction is promoted at 20 ° C. or higher, and deterioration of physical properties at 150 ° C. or lower is suppressed. It is preferable because it can be treated at normal pressure by setting it to 98 ° C. or lower. 50 degreeC or more and 90 degrees C or less are preferable.

時間は、熱処理温度、化合物の反応性により適宜決められるが、反応の均一性および生産性の観点から、0.5時間以上、20000時間以下が好ましく用いられる。生産性の観点から2時間以上、30時間以下がより好ましい。   The time is appropriately determined depending on the heat treatment temperature and the reactivity of the compound, but from the viewpoint of reaction uniformity and productivity, 0.5 hours or more and 20000 hours or less are preferably used. From the viewpoint of productivity, 2 hours or more and 30 hours or less are more preferable.

また、上記の水存在下での加熱に加えて、水が存在しない中で加熱することもできる。エポキシ基、水酸基が分子間で反応し、官能基の減少および分子量を増加させることができる。   In addition to the above heating in the presence of water, the heating can be performed in the absence of water. Epoxy groups and hydroxyl groups can react between molecules to reduce functional groups and increase molecular weight.

加熱温度は、130℃以上、300℃以下が好ましい。130℃以上であることで、反応が促進され、300℃以下でエポキシ化合物(A)の分解が抑制される。180℃以上、260℃以下が好ましい。時間は、温度、化合物の反応性により適宜決められるが、反応の均一性および生産性の観点から、1分以上、10000分以下が好ましく用いられる。5分以上、1000分以下がより好ましい。   The heating temperature is preferably 130 ° C. or higher and 300 ° C. or lower. Reaction is accelerated | stimulated because it is 130 degreeC or more, and decomposition | disassembly of an epoxy compound (A) is suppressed at 300 degrees C or less. 180 degreeC or more and 260 degrees C or less are preferable. The time is appropriately determined depending on the temperature and the reactivity of the compound, but from the viewpoint of reaction uniformity and productivity, 1 minute or more and 10,000 minutes or less are preferably used. 5 minutes or more and 1000 minutes or less are more preferable.

また、熱処理には、水溶液あるいはエポキシ化合物(A)をオーブン中で加熱することもできるし、フラスコ等に代表される反応容器に移して攪拌しながら加熱しても良い。加圧容器中で加圧下反応させても良い。本発明において熱処理する際には、反応の制御を阻害しない範囲で、エポキシ化合物(A)以外の成分が含まれていても良い。また、反応を促進するために、アルカリ、酸などの反応促進剤を添加しても良いが、サイジング剤に残存することで、プリプレグの長期保管での物性低下を抑制する観点から用いない方が好ましい。   For the heat treatment, the aqueous solution or the epoxy compound (A) may be heated in an oven, or may be transferred to a reaction vessel typified by a flask and heated with stirring. You may make it react under pressure in a pressurized container. In the present invention, when the heat treatment is performed, components other than the epoxy compound (A) may be contained within a range not inhibiting the control of the reaction. In order to accelerate the reaction, a reaction accelerator such as an alkali or an acid may be added. However, it remains in the sizing agent, so that it should not be used from the viewpoint of suppressing deterioration in physical properties of the prepreg during long-term storage. preferable.

本発明において、炭素繊維へのサイジング剤の塗布方法としては、溶媒に、エポキシ化合物(A)ならびにその他の成分を同時に溶解または分散したサイジング剤含有液を用いて、1回で塗布する方法や、複数回において炭素繊維に塗布する方法が好ましく用いられる。本発明においては、サイジング剤の構成成分をすべて含むサイジング剤含有液を、炭素繊維に1回で塗布する1段付与を採用することが効果および処理のしやすさから好ましく用いられる。   In the present invention, as a method of applying the sizing agent to the carbon fiber, a method of applying the sizing agent-containing liquid in which the epoxy compound (A) and other components are simultaneously dissolved or dispersed in a solvent, and a method of applying the sizing agent to the carbon fiber, A method of applying to carbon fiber in a plurality of times is preferably used. In the present invention, it is preferable to adopt a one-step application in which a sizing agent-containing liquid containing all the components of the sizing agent is applied to the carbon fiber at a time from the viewpoint of the effect and ease of processing.

本発明にかかるサイジング剤は、サイジング剤成分を溶媒で希釈したサイジング剤含有液として用いることができる。このような溶媒としては、例えば、水、メタノール、エタノール、イソプロパノール、アセトン、メチルエチルケトン、ジメチルホルムアミド、およびジメチルアセトアミドが挙げられるが、なかでも、取扱いが容易であり、安全性の観点から有利であることから、界面活性剤で乳化させた水分散液あるいは水溶液が好ましく用いられる。   The sizing agent according to the present invention can be used as a sizing agent-containing liquid obtained by diluting a sizing agent component with a solvent. Examples of such a solvent include water, methanol, ethanol, isopropanol, acetone, methyl ethyl ketone, dimethylformamide, and dimethylacetamide. Among them, handling is easy and advantageous from the viewpoint of safety. Therefore, an aqueous dispersion or aqueous solution emulsified with a surfactant is preferably used.

サイジング剤含有液におけるサイジング剤の濃度は、通常は0.2〜20質量%の範囲が好ましい。なお、サイジング剤含有液は、エポキシ化合物(A)を1回で溶媒に混合して希釈しても良い。また、エポキシ化合物(A)を溶媒で希釈して、濃度の高いサイジング剤含有液を得た後に、さらに溶媒で希釈するなど、複数回に分けて希釈することもできる。   The concentration of the sizing agent in the sizing agent-containing liquid is usually preferably in the range of 0.2 to 20% by mass. The sizing agent-containing liquid may be diluted by mixing the epoxy compound (A) with a solvent at one time. Moreover, after diluting an epoxy compound (A) with a solvent and obtaining a sizing agent containing liquid with a high density | concentration, it can also dilute in multiple times, such as further diluting with a solvent.

サイジング剤の炭素繊維への付与(塗布)手段としては、例えば、ローラーを介してサイジング剤含有液に炭素繊維を浸漬する方法、サイジング剤含有液の付着したローラーに炭素繊維を接する方法、サイジング剤含有液を霧状にして炭素繊維に吹き付ける方法などがある。また、サイジング剤の付与手段は、バッチ式と連続式いずれでもよいが、生産性がよくバラツキが小さくできる連続式が好ましく用いられる。この際、炭素繊維に対するサイジング剤有効成分の付着量が適正範囲内で均一に付着するように、サイジング剤含有液濃度、温度および糸条張力などをコントロールすることが好ましい。また、サイジング剤付与時に、炭素繊維を超音波で加振させることも好ましい態様である。   Examples of means for applying (coating) the sizing agent to the carbon fiber include a method of immersing the carbon fiber in a sizing agent-containing liquid via a roller, a method of contacting the carbon fiber with a roller to which the sizing agent-containing liquid is attached, and a sizing agent. There is a method of spraying the liquid on the carbon fiber in the form of a mist. Further, the sizing agent applying means may be either a batch type or a continuous type, but a continuous type capable of improving productivity and reducing variation is preferably used. At this time, it is preferable to control the concentration of the sizing agent-containing liquid, the temperature, the yarn tension, and the like so that the amount of the sizing agent active component attached to the carbon fiber is uniformly attached within an appropriate range. Moreover, it is also a preferable aspect that the carbon fiber is vibrated with ultrasonic waves when the sizing agent is applied.

サイジング液を炭素繊維に塗布する際のサイジング剤含有液の液温は、溶媒蒸発によるサイジング剤の濃度変動を抑えるため、10〜50℃の範囲であることが好ましい。また、サイジング剤含有液を付与した後に、余剰のサイジング剤含有液を絞り取る絞り量を調整することにより、サイジング剤の付着量の調整および炭素繊維内への均一付与ができる。   The liquid temperature of the sizing agent-containing liquid when the sizing liquid is applied to the carbon fiber is preferably in the range of 10 to 50 ° C. in order to suppress fluctuations in the concentration of the sizing agent due to solvent evaporation. In addition, after applying the sizing agent-containing liquid, the amount of sizing agent adhered can be adjusted and uniformly applied to the carbon fiber by adjusting the amount of squeezing out the excess sizing agent-containing liquid.

本発明において、エポキシ化合物(A)を主成分とするサイジング剤含有液を炭素繊維に塗布した後に熱履歴を与える方法として、炭素繊維にサイジング剤含有液を塗布した後に熱処理すること、およびサイジング剤塗布炭素繊維を巻取りしたボビンに熱処理する方法が挙げられる。   In the present invention, as a method of giving a thermal history after applying a sizing agent-containing liquid mainly composed of an epoxy compound (A) to carbon fibers, heat treatment after applying the sizing agent-containing liquid to carbon fibers, and a sizing agent A method of heat-treating the bobbin on which the coated carbon fiber is wound is mentioned.

サイジング剤塗布炭素繊維の製造方法の中で、サイジング剤含有液を塗布した後にサイジング剤塗布炭素繊維に含まれている溶媒を除去する目的で、乾燥する方法が一般的に採用される。本発明において、サイジング剤含有液を炭素繊維に塗布した後に特定の温度、時間の熱処理を与えることで、プロセス性が良好になり好ましい。熱処理時間を長くあるいは熱処理温度を高くすることで、エポキシ基、水酸基の分子間反応が促進され、エポキシ価、水酸基価を低下し、分子量を増加することができる。また、短時間で官能基、分子量を制御できる点が好ましい。乾燥下での熱処理は、乾燥工程と同一でも良いし、別途行っても良い。
熱処理は160〜300℃の温度範囲で30〜900秒間熱処理することが好ましい。熱処理条件は、好ましくは200〜250℃の温度範囲で60〜500秒間であり、より好ましくは210〜240℃の温度範囲で90〜300秒間である。熱処理条件が、160℃以上および30秒以上であると、分子量が増加し、炭素繊維をボビンから解舒する時の粘着等による糸切れを抑制できるため好ましい。一方、熱処理条件が、300℃以下および900秒以下で、サイジング剤の分解および揮発を抑制できるため、炭素繊維との相互作用が促進され、炭素繊維とマトリックス樹脂との接着性が十分となり好ましい。
In the method for producing the sizing agent-coated carbon fiber, a method of drying is generally employed for the purpose of removing the solvent contained in the sizing agent-coated carbon fiber after applying the sizing agent-containing liquid. In this invention, after apply | coating a sizing agent containing liquid to carbon fiber, processability becomes favorable by giving the heat processing of specific temperature and time, and is preferable. By extending the heat treatment time or raising the heat treatment temperature, the intermolecular reaction of epoxy groups and hydroxyl groups can be promoted, the epoxy value and hydroxyl value can be lowered, and the molecular weight can be increased. Moreover, the point which can control a functional group and molecular weight in a short time is preferable. The heat treatment under drying may be the same as the drying process or may be performed separately.
The heat treatment is preferably performed in a temperature range of 160 to 300 ° C. for 30 to 900 seconds. The heat treatment conditions are preferably in the temperature range of 200 to 250 ° C. for 60 to 500 seconds, and more preferably in the temperature range of 210 to 240 ° C. for 90 to 300 seconds. It is preferable that the heat treatment conditions are 160 ° C. or higher and 30 seconds or longer because the molecular weight increases and yarn breakage due to adhesion or the like when the carbon fiber is unwound from the bobbin can be suppressed. On the other hand, when the heat treatment conditions are 300 ° C. or less and 900 seconds or less, decomposition and volatilization of the sizing agent can be suppressed, and thus the interaction with the carbon fibers is promoted, and the adhesion between the carbon fibers and the matrix resin is sufficient.

また、サイジング剤塗布炭素繊維を湿潤下で熱処理することが好ましい。サイジング剤塗布炭素繊維を湿潤下で熱処理する方法としては、連続処理でもサイジング剤塗布炭素繊維を巻き取ったボビン形状で熱処理しても構わない。連続処理の場合には、均一に処理されるため好ましく、ボビン状態処理することで処理時間を長くとることができ、プロセス的に好ましい。連続処理の場合には、スチームを通したチューブを通過させること、湿度を一定にしたボックス内を通過させることができる。また、ボビン状態での処理では恒温恒湿の槽に保管することができる。なお、温度、湿度は熱処理中、一定でも構わないが、途中で変えても構わない。湿度を制御することで、エポキシ基と水酸基の分子間反応だけでなく、エポキシ基の加水分解を制御することができる。また、温度を上げることで、反応を促進することができる。好ましい熱処理条件は、20〜150℃の温度範囲、50〜90%の湿度範囲の湿潤下で20〜20000時間である。20〜40℃、湿度50〜70%で10000〜20000時間の熱処理を行うことが均一性の点から好ましい。また、60〜98℃、湿度70〜90%で20〜500時間の熱処理を行うことが生産性の点から好ましい。   Moreover, it is preferable to heat-treat the sizing agent-coated carbon fiber under moisture. As a method of heat-treating the sizing agent-coated carbon fibers under wet conditions, the bobbin shape around which the sizing agent-coated carbon fibers are wound may be heat treated. In the case of continuous processing, it is preferable because the processing is performed uniformly, and the processing time can be increased by performing the bobbin state processing, which is preferable in terms of process. In the case of continuous processing, it is possible to pass through a tube through steam and to pass through a box having a constant humidity. In the treatment in the bobbin state, it can be stored in a constant temperature and humidity chamber. The temperature and humidity may be constant during the heat treatment, but may be changed during the heat treatment. By controlling the humidity, not only the intermolecular reaction between the epoxy group and the hydroxyl group, but also the hydrolysis of the epoxy group can be controlled. Moreover, reaction can be accelerated | stimulated by raising temperature. Preferable heat treatment conditions are 20 to 20000 hours under a humidity of 20 to 150 ° C. and a humidity range of 50 to 90%. From the point of uniformity, it is preferable to perform heat treatment at 20 to 40 ° C. and a humidity of 50 to 70% for 10,000 to 20,000 hours. Moreover, it is preferable from the point of productivity to perform the heat processing for 20 to 500 hours at 60-98 degreeC and 70-90% of humidity.

また、前記熱処理は、マイクロ波照射および/または赤外線照射で行うことも可能である。マイクロ波照射および/または赤外線照射によりサイジング剤塗布炭素繊維を加熱処理した場合、マイクロ波が炭素繊維内部に侵入し、吸収されることにより、短時間に被加熱物である炭素繊維を所望の温度に加熱できる。また、マイクロ波照射および/または赤外線照射により、炭素繊維内部の加熱も速やかに行うことができるため、炭素繊維束の内側と外側の温度差を小さくすることができ、サイジング剤の接着ムラを小さくすることが可能となる。   The heat treatment can also be performed by microwave irradiation and / or infrared irradiation. When the sizing agent-coated carbon fiber is heat-treated by microwave irradiation and / or infrared irradiation, the microwave penetrates into the carbon fiber and is absorbed, so that the carbon fiber which is the object to be heated can be heated to a desired temperature in a short time. Can be heated. In addition, since the inside of the carbon fiber can be quickly heated by microwave irradiation and / or infrared irradiation, the temperature difference between the inside and outside of the carbon fiber bundle can be reduced, and the adhesion unevenness of the sizing agent can be reduced. It becomes possible to do.

本発明のサイジング剤塗布炭素繊維は、例えば、トウ、織物、編物、組み紐、ウェブ、マットおよびチョップド等の形態で好適に用いられる。   The sizing agent-coated carbon fiber of the present invention is suitably used in the form of, for example, tow, woven fabric, knitted fabric, braided string, web, mat, and chopped.

本発明のサイジング剤塗布炭素繊維は、マトリックス樹脂との組み合わせで、炭素繊維強化複合材料として用いることができる。マトリックス樹脂としては、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂(ここで説明される樹脂は、樹脂組成物であってもよい)が用いられる。   The sizing agent-coated carbon fiber of the present invention can be used as a carbon fiber reinforced composite material in combination with a matrix resin. As the matrix resin, a thermosetting resin and a thermoplastic resin (the resin described here may be a resin composition) are used.

次に、マトリックス樹脂に熱硬化性樹脂を用いた、炭素繊維強化熱硬化性樹脂系複合材料について説明する。   Next, a carbon fiber reinforced thermosetting resin composite material using a thermosetting resin as the matrix resin will be described.

特に、比強度と比弾性率が高いことを要求される用途には、炭素繊維が一方向に引き揃えたトウが最も適しており、さらに、マトリックス樹脂を含浸したプリプレグを用いる方法が好ましく用いられる。   In particular, for applications that require a high specific strength and specific elastic modulus, a tow in which carbon fibers are aligned in one direction is most suitable, and a method using a prepreg impregnated with a matrix resin is preferably used. .

本発明のサイジング剤塗布炭素繊維は、熱硬化性樹脂との組み合わせでプリプレグおよび炭素繊維強化複合材料に用いることができる。本発明において、プリプレグは、前述したサイジング剤塗布炭素繊維、または前述の方法で製造されたサイジング剤塗布炭素繊維とマトリックス樹脂を含む。   The sizing agent-coated carbon fiber of the present invention can be used for a prepreg and a carbon fiber reinforced composite material in combination with a thermosetting resin. In the present invention, the prepreg includes the sizing agent-coated carbon fibers described above or the sizing agent-coated carbon fibers produced by the method described above and a matrix resin.

本発明で用いられる熱硬化性樹脂は、熱により架橋反応が進行して、少なくとも部分的に三次元架橋構造を形成する樹脂であれば特に限定されない。かかる熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ベンゾオキサジン樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂および熱硬化性ポリイミド樹脂等が挙げられ、これらの変性体および2種類以上ブレンドした樹脂なども用いることができる。また、これらの熱硬化性樹脂は、加熱により自己硬化するものであっても良いし、硬化剤や硬化促進剤などを配合するものであっても良い。   The thermosetting resin used in the present invention is not particularly limited as long as the crosslinking reaction proceeds by heat and at least partially forms a three-dimensional crosslinked structure. Examples of such thermosetting resins include epoxy resins, unsaturated polyester resins, vinyl ester resins, benzoxazine resins, phenol resins, urea resins, melamine resins, thermosetting polyimide resins, and the like. Two or more types of blended resins can also be used. In addition, these thermosetting resins may be self-curing by heating, or may be blended with a curing agent or a curing accelerator.

これらの熱硬化性樹脂の中でも、機械特性のバランスに優れ、硬化収縮が小さいという利点を有するため、エポキシ化合物(C)を少なくとも含むエポキシ樹脂を用いることが好ましい。   Among these thermosetting resins, it is preferable to use an epoxy resin containing at least an epoxy compound (C) because it has an advantage of excellent balance of mechanical properties and small curing shrinkage.

エポキシ樹脂に用いるエポキシ化合物(C)としては、特に限定されるものではなく、ビスフェノール型エポキシ化合物、アミン型エポキシ化合物、フェノールノボラック型エポキシ化合物、クレゾールノボラック型エポキシ化合物、レゾルシノール型エポキシ化合物、フェノールアラルキル型エポキシ化合物、ナフトールアラルキル型エポキシ化合物、ジシクロペンタジエン型エポキシ化合物、ビフェニル骨格を有するエポキシ化合物、イソシアネート変性エポキシ化合物、テトラフェニルエタン型エポキシ化合物、トリフェニルメタン型エポキシ化合物などの中から1種以上を選択して用いることができる。   The epoxy compound (C) used for the epoxy resin is not particularly limited, and is a bisphenol type epoxy compound, an amine type epoxy compound, a phenol novolac type epoxy compound, a cresol novolak type epoxy compound, a resorcinol type epoxy compound, a phenol aralkyl type. Select one or more of epoxy compounds, naphthol aralkyl-type epoxy compounds, dicyclopentadiene-type epoxy compounds, epoxy compounds having a biphenyl skeleton, isocyanate-modified epoxy compounds, tetraphenylethane-type epoxy compounds, triphenylmethane-type epoxy compounds, etc. Can be used.

ここで、ビスフェノール型エポキシ化合物とは、ビスフェノール化合物の2つのフェノール性水酸基がグリシジル化されたものであり、ビスフェノールA型、ビスフェノールF型、ビスフェノールAD型、ビスフェノールS型、もしくはこれらビスフェノールのハロゲン、アルキル置換体、水添品等が挙げられる。また、単量体に限らず、複数の繰り返し単位を有する高分子量体も好適に使用することができる。   Here, the bisphenol type epoxy compound is obtained by glycidylation of two phenolic hydroxyl groups of a bisphenol compound. The bisphenol A type, the bisphenol F type, the bisphenol AD type, the bisphenol S type, or the halogen or alkyl of these bisphenols. Examples include substituted products and hydrogenated products. Moreover, not only a monomer but the high molecular weight body which has several repeating units can also be used conveniently.

ビスフェノールA型エポキシ化合物の市販品としては、“jER(登録商標)”825、828、834、1001、1002、1003、1003F、1004、1004AF、1005F、1006FS、1007、1009、1010(以上、三菱化学(株)製)などが挙げられる。臭素化ビスフェノールA型エポキシ化合物としては、“jER(登録商標)”505、5050、5051、5054、5057(以上、三菱化学(株)製)などが挙げられる。水添ビスフェノールA型エポキシ化合物の市販品としては、ST5080、ST4000D、ST4100D、ST5100(以上、新日鐵化学(株)製)などが挙げられる。   Commercially available bisphenol A type epoxy compounds include “jER (registered trademark)” 825, 828, 834, 1001, 1002, 1003, 1003F, 1004, 1004AF, 1005F, 1006FS, 1007, 1009, 1010 (and above, Mitsubishi Chemical) Etc.). Examples of the brominated bisphenol A type epoxy compound include “jER (registered trademark)” 505, 5050, 5051, 5054, 5057 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation). Examples of commercially available hydrogenated bisphenol A type epoxy compounds include ST5080, ST4000D, ST4100D, and ST5100 (manufactured by Nippon Steel Chemical Co., Ltd.).

ビスフェノールF型エポキシ化合物の市販品としては、“jER(登録商標)”806、807、4002P、4004P、4007P、4009P、4010P(以上、三菱化学(株)製)、“エピクロン(登録商標)”830、835(以上、DIC(株)製)、“エポトート(登録商標)”YDF2001、YDF2004(以上、新日鐵化学(株)製)などが挙げられる。テトラメチルビスフェノールF型エポキシ化合物としては、YSLV−80XY(新日鐵化学(株)製)などが挙げられる。   Commercially available bisphenol F type epoxy compounds include “jER (registered trademark)” 806, 807, 4002P, 4004P, 4007P, 4009P, 4010P (above, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), “Epiclon (registered trademark)” 830. 835 (above, manufactured by DIC Corporation), “Epototo (registered trademark)” YDF2001, YDF2004 (above, manufactured by Nippon Steel Chemical Co., Ltd.), and the like. Examples of the tetramethylbisphenol F type epoxy compound include YSLV-80XY (manufactured by Nippon Steel Chemical Co., Ltd.).

ビスフェノールS型エポキシ化合物としては、“エピクロン(登録商標)”EXA−154(DIC(株)製)などが挙げられる。   Examples of the bisphenol S-type epoxy compound include “Epiclon (registered trademark)” EXA-154 (manufactured by DIC Corporation).

また、アミン型エポキシ化合物としては、例えば、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン、トリグリシジルアミノフェノール、トリグリシジルアミノクレゾール、テトラグリシジルキシリレンジアミンや、これらのハロゲン、アルキノール置換体、水添品などが挙げられる。   Examples of the amine-type epoxy compound include tetraglycidyldiaminodiphenylmethane, triglycidylaminophenol, triglycidylaminocresol, tetraglycidylxylylenediamine, halogens thereof, alkynol-substituted products, and hydrogenated products.

テトラグリシジルジアミノジフェニルメタンの市販品としては、“スミエポキシ(登録商標)”ELM434(住友化学(株)製)、YH434L(新日鐵化学(株)製)、“jER(登録商標)”604(三菱化学(株)製)、“アラルダイド(登録商標)”MY720、MY721(以上、ハンツマン・アドバンズド・マテリアルズ(株)製)などが挙げられる。トリグリシジルアミノフェノールまたはトリグリシジルアミノクレゾールの市販品としては、“スミエポキシ(登録商標)”ELM100、ELM120(以上、住友化学(株)製)、“アラルダイド(登録商標)”MY0500、MY0510、MY0600(以上、ハンツマン・アドバンズド・マテリアルズ(株)製)、“jER(登録商標)”630(三菱化学(株)製)などが挙げられる。テトラグリシジルキシリレンジアミンおよびその水素添加品の市販品としては、TETRAD−X、TETRAD−C(以上、三菱ガス化学(株)製)などが挙げられる。   Commercially available products of tetraglycidyldiaminodiphenylmethane include “Sumiepoxy (registered trademark)” ELM434 (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.), YH434L (manufactured by Nippon Steel Chemical Co., Ltd.), and “jER (registered trademark)” 604 (Mitsubishi Chemical). (Manufactured by Co., Ltd.), “Araldide (registered trademark)” MY720, MY721 (manufactured by Huntsman Advanced Materials Co., Ltd.), and the like. Commercially available products of triglycidylaminophenol or triglycidylaminocresol include “Sumiepoxy (registered trademark)” ELM100, ELM120 (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.), “Araldide (registered trademark)” MY0500, MY0510, MY0600 (and above) , Huntsman Advanced Materials Co., Ltd.), “jER (registered trademark)” 630 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), and the like. Examples of commercially available tetraglycidylxylylenediamine and hydrogenated products thereof include TETRAD-X and TETRAD-C (manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Co., Ltd.).

フェノールノボラック型エポキシ化合物の市販品としては“jER(登録商標)”152、154(以上、三菱化学(株)製)、“エピクロン(登録商標)”N−740、N−770、N−775(以上、DIC(株)製)などが挙げられる。   Commercially available products of phenol novolac type epoxy compounds are “jER (registered trademark)” 152, 154 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), “Epicron (registered trademark)” N-740, N-770, N-775 ( As mentioned above, DIC Corporation) etc. are mentioned.

クレゾールノボラック型エポキシ化合物の市販品としては、“エピクロン(登録商標)”N−660、N−665、N−670、N−673、N−695(以上、DIC(株)製)、EOCN−1020、EOCN−102S、EOCN−104S(以上、日本化薬(株)製)などが挙げられる。   As a commercial item of a cresol novolac type epoxy compound, “Epiclon (registered trademark)” N-660, N-665, N-670, N-673, N-695 (above, manufactured by DIC Corporation), EOCN-1020 , EOCN-102S, EOCN-104S (manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.), and the like.

レゾルシノール型エポキシ化合物の市販品としては、“デナコール(登録商標)”EX−201(ナガセケムテックス(株)製)などが挙げられる。   Examples of commercially available resorcinol-type epoxy compounds include “Denacol (registered trademark)” EX-201 (manufactured by Nagase ChemteX Corporation).

グリシジルアニリン型エポキシ化合物の市販品としては、GANやGOT(以上、日本化薬(株)製)などが挙げられる。   Examples of commercially available glycidyl aniline type epoxy compounds include GAN and GOT (manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.).

ビフェニル骨格を有するエポキシ化合物の市販品としては、“jER(登録商標)”YX4000H、YX4000、YL6616(以上、三菱化学(株)製)、NC−3000(日本化薬(株)製)などが挙げられる。   Examples of commercially available epoxy compounds having a biphenyl skeleton include “jER (registered trademark)” YX4000H, YX4000, YL6616 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), NC-3000 (manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.), and the like. It is done.

ジシクロペンタジエン型エポキシ化合物の市販品としては、“エピクロン(登録商標)”HP7200L(エポキシ当量245〜250、軟化点54〜58)、“エピクロン(登録商標)”HP7200(エポキシ当量255〜260、軟化点59〜63)、“エピクロン(登録商標)”HP7200H(エポキシ当量275〜280、軟化点80〜85)、“エピクロン(登録商標)”HP7200HH(エポキシ当量275〜280、軟化点87〜92)(以上、大日本インキ化学工業(株)製)、XD−1000−L(エポキシ当量240〜255、軟化点60〜70)、XD−1000−2L(エポキシ当量235〜250、軟化点53〜63)(以上、日本化薬(株)製)、“Tactix(登録商標)”556(エポキシ当量215〜235、軟化点79℃)(Vantico Inc社製)などが挙げられる。   Commercially available dicyclopentadiene type epoxy compounds include “Epicron (registered trademark)” HP7200L (epoxy equivalents 245 to 250, softening point 54 to 58), “Epicron (registered trademark)” HP7200 (epoxy equivalents 255 to 260, softening) 59-63), "Epiclon (registered trademark)" HP7200H (epoxy equivalents 275-280, softening point 80-85), "Epiclon (registered trademark)" HP7200HH (epoxy equivalents 275-280, softening point 87-92) ( As described above, manufactured by Dainippon Ink & Chemicals, Inc.), XD-1000-L (epoxy equivalents 240 to 255, softening point 60 to 70), XD-1000-2L (epoxy equivalents 235 to 250, softening point 53 to 63) (Nippon Kayaku Co., Ltd.), “Tactix (registered trademark)” 556 (epoxy equivalent 2 5-235, a softening point of 79 ° C.) (Vantico Inc Co., Ltd.) and the like.

イソシアネート変性エポキシ化合物の市販品としては、オキサゾリドン環を有するXAC4151、AER4152(旭化成エポキシ(株)製)やACR1348((株)ADEKA製)などが挙げられる。   Examples of commercially available isocyanate-modified epoxy compounds include XAC4151, AER4152 (produced by Asahi Kasei Epoxy Co., Ltd.) and ACR1348 (produced by ADEKA Co., Ltd.) having an oxazolidone ring.

テトラフェニルエタン型エポキシ化合物の市販品としては、テトラキス(グリシジルオキシフェニル)エタン型エポキシ化合物である“jER(登録商標)”1031(三菱化学(株)製)などが挙げられる。   Examples of commercially available tetraphenylethane type epoxy compounds include “jER (registered trademark)” 1031 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), which is a tetrakis (glycidyloxyphenyl) ethane type epoxy compound.

トリフェニルメタン型エポキシ化合物の市販品としては、“タクチックス(登録商標)”742(ハンツマン・アドバンズド・マテリアルズ(株)製)などが挙げられる。   As a commercial item of a triphenylmethane type epoxy compound, “Tactics (registered trademark)” 742 (manufactured by Huntsman Advanced Materials Co., Ltd.) and the like can be mentioned.

特にエポキシ化合物(C)として複数の官能基を有するグリシジルアミン型エポキシ化合物を少なくとも含有するエポキシ樹脂が好ましい。複数の官能基を有するグリシジルアミン型エポキシ化合物を少なくとも含有するエポキシ樹脂は、多架橋密度が高く、炭素繊維強化複合材料の耐熱性および圧縮強度を向上させることができるため好ましい。   In particular, an epoxy resin containing at least a glycidylamine type epoxy compound having a plurality of functional groups as the epoxy compound (C) is preferable. An epoxy resin containing at least a glycidylamine type epoxy compound having a plurality of functional groups is preferable because it has a high multi-crosslinking density and can improve the heat resistance and compressive strength of the carbon fiber reinforced composite material.

複数の官能基を有するグリシジルアミン型エポキシ化合物としては、例えば、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン、トリグリシジルアミノフェノールおよびトリグリシジルアミノクレゾール、N,N−ジグリシジルアニリン、N,N−ジグリシジル−o−トルイジン、N,N−ジグリシジル−4−フェノキシアニリン、N,N−ジグリシジル−4−(4−メチルフェノキシ)アニリン、N,N−ジグリシジル−4−(4−tert−ブチルフェノキシ)アニリンおよびN,N−ジグリシジル−4−(4−フェノキシフェノキシ)アニリン等が挙げられる。これらの化合物は、多くの場合、フェノキシアニリン誘導体にエピクロロヒドリンを付加し、アルカリ化合物により環化して得られる。分子量の増加に伴い粘度が増加していくため、取扱い性の点から、N,N−ジグリシジル−4−フェノキシアニリンが特に好ましく用いられる。   Examples of the glycidylamine-type epoxy compound having a plurality of functional groups include tetraglycidyldiaminodiphenylmethane, triglycidylaminophenol and triglycidylaminocresol, N, N-diglycidylaniline, N, N-diglycidyl-o-toluidine, N , N-diglycidyl-4-phenoxyaniline, N, N-diglycidyl-4- (4-methylphenoxy) aniline, N, N-diglycidyl-4- (4-tert-butylphenoxy) aniline and N, N-diglycidyl- 4- (4-phenoxyphenoxy) aniline and the like can be mentioned. In many cases, these compounds are obtained by adding epichlorohydrin to a phenoxyaniline derivative and cyclizing with an alkali compound. Since the viscosity increases as the molecular weight increases, N, N-diglycidyl-4-phenoxyaniline is particularly preferably used from the viewpoint of handleability.

フェノキシアニリン誘導体としては、具体的には、4−フェノキシアニリン、4−(4−メチルフェノキシ)アニリン、4−(3−メチルフェノキシ)アニリン、4−(2−メチルフェノキシ)アニリン、4−(4−エチルフェノキシ)アニリン、4−(3−エチルフェノキシ)アニリン、4−(2−エチルフェノキシ)アニリン、4−(4−プロピルフェノキシ)アニリン、4−(4−tert−ブチルフェノキシ)アニリン、4−(4−シクロヘキシルフェノキシ)アニリン、4−(3−シクロヘキシルフェノキシ)アニリン、4−(2−シクロヘキシルフェノキシ)アニリン、4−(4−メトキシフェノキシ)アニリン、4−(3−メトキシフェノキシ)アニリン、4−(2−メトキシフェノキシ)アニリン、4−(3−フェノキシフェノキシ)アニリン、4−(4−フェノキシフェノキシ)アニリン、4−[4−(トリフルオロメチル)フェノキシ]アニリン、4−[3−(トリフルオロメチル)フェノキシ]アニリン、4−[2−(トリフルオロメチル)フェノキシ]アニリン、4−(2−ナフチルオキシフェノキシ)アニリン、4−(1−ナフチルオキシフェノキシ)アニリン、4−[(1,1’−ビフェニル−4−イル)オキシ]アニリン、4−(4−ニトロフェノキシ)アニリン、4−(3−ニトロフェノキシ)アニリン、4−(2−ニトロフェノキシ)アニリン、3−ニトロ−4−アミノフェニルフェニルエーテル、2−ニトロ−4−(4−ニトロフェノキシ)アニリン、4−(2,4−ジニトロフェノキシ)アニリン、3−ニトロ−4−フェノキシアニリン、4−(2−クロロフェノキシ)アニリン、4−(3−クロロフェノキシ)アニリン、4−(4−クロロフェノキシ)アニリン、4−(2,4−ジクロロフェノキシ)アニリン、3−クロロ−4−(4−クロロフェノキシ)アニリン、および4−(4−クロロ−3−トリルオキシ)アニリンなどが挙げられる。   Specific examples of the phenoxyaniline derivative include 4-phenoxyaniline, 4- (4-methylphenoxy) aniline, 4- (3-methylphenoxy) aniline, 4- (2-methylphenoxy) aniline, 4- (4 -Ethylphenoxy) aniline, 4- (3-ethylphenoxy) aniline, 4- (2-ethylphenoxy) aniline, 4- (4-propylphenoxy) aniline, 4- (4-tert-butylphenoxy) aniline, 4- (4-cyclohexylphenoxy) aniline, 4- (3-cyclohexylphenoxy) aniline, 4- (2-cyclohexylphenoxy) aniline, 4- (4-methoxyphenoxy) aniline, 4- (3-methoxyphenoxy) aniline, 4- (2-methoxyphenoxy) aniline, 4- (3-phenoxyf) Noxy) aniline, 4- (4-phenoxyphenoxy) aniline, 4- [4- (trifluoromethyl) phenoxy] aniline, 4- [3- (trifluoromethyl) phenoxy] aniline, 4- [2- (trifluoro) Methyl) phenoxy] aniline, 4- (2-naphthyloxyphenoxy) aniline, 4- (1-naphthyloxyphenoxy) aniline, 4-[(1,1′-biphenyl-4-yl) oxy] aniline, 4- ( 4-nitrophenoxy) aniline, 4- (3-nitrophenoxy) aniline, 4- (2-nitrophenoxy) aniline, 3-nitro-4-aminophenyl phenyl ether, 2-nitro-4- (4-nitrophenoxy) Aniline, 4- (2,4-dinitrophenoxy) aniline, 3-nitro-4-phenoxyaniline, -(2-chlorophenoxy) aniline, 4- (3-chlorophenoxy) aniline, 4- (4-chlorophenoxy) aniline, 4- (2,4-dichlorophenoxy) aniline, 3-chloro-4- (4- Chlorophenoxy) aniline, 4- (4-chloro-3-tolyloxy) aniline, and the like.

テトラグリシジルジアミノジフェニルメタンの市販品として、例えば、“スミエポキシ(登録商標)”ELM434(住友化学(株)製)、YH434L(東都化成(株)製)、“アラルダイト(登録商標)”MY720(ハンツマン・アドバンスト・マテリアルズ(株)製)、および“jER(登録商標)604”(三菱化学(株)製)等を使用することができる。トリグリシジルアミノフェノールおよびトリグリシジルアミノクレゾールとしては、例えば、“スミエポキシ(登録商標)”ELM100(住友化学(株)製)、“アラルダイト(登録商標)”MY0510、“アラルダイト(登録商標)”MY0600(以上、ハンツマン・アドバンスト・マテリアルズ(株)製)、および“jER(登録商標)”630(三菱化学(株)製)等を使用することができる。   Examples of commercially available products of tetraglycidyldiaminodiphenylmethane include “Sumiepoxy (registered trademark)” ELM434 (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.), YH434L (manufactured by Tohto Kasei Co., Ltd.), “Araldite (registered trademark)” MY720 (Huntsman Advanced -Materials Co., Ltd.), "jER (registered trademark) 604" (Mitsubishi Chemical Co., Ltd.), etc. can be used. Examples of triglycidylaminophenol and triglycidylaminocresol include, for example, “Sumiepoxy (registered trademark)” ELM100 (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.), “Araldite (registered trademark)” MY0510, “Araldite (registered trademark)” MY0600 (and above) , Huntsman Advanced Materials Co., Ltd.), “jER (registered trademark)” 630 (Mitsubishi Chemical Co., Ltd.), and the like can be used.

複数の官能基を有するグリシジルアミン型エポキシ化合物として、上述した中でもグリシジルアミン骨格を少なくとも1つ有し、かつエポキシ基を3以上有する芳香族エポキシ化合物(C1)であることが好ましい。   Among the above-mentioned glycidylamine type epoxy compounds having a plurality of functional groups, an aromatic epoxy compound (C1) having at least one glycidylamine skeleton and having 3 or more epoxy groups is preferable.

エポキシ基を3以上有するグリシジルアミン型芳香族エポキシ化合物(C1)を含むエポキシ樹脂は、耐熱性を高める効果があり、その割合は、エポキシ樹脂中に30〜100質量%含まれていることが好ましく、より好ましい割合は50質量%以上である。グリシジルアミン型芳香族エポキシ化合物の割合が30質量%以上で、炭素繊維強化複合材料の圧縮強度が向上、耐熱性が良好になるため好ましい。   The epoxy resin containing the glycidylamine type aromatic epoxy compound (C1) having 3 or more epoxy groups has an effect of improving heat resistance, and the ratio is preferably 30 to 100% by mass in the epoxy resin. A more desirable ratio is 50% by mass or more. The ratio of the glycidylamine type aromatic epoxy compound is preferably 30% by mass or more, since the compressive strength of the carbon fiber reinforced composite material is improved and the heat resistance is improved.

これらのエポキシ化合物(C)を用いる場合、必要に応じて酸や塩基などの触媒や硬化剤を添加してよい。例えば、エポキシ樹脂の硬化には、ハロゲン化ホウ素錯体、p−トルエンスルホン酸塩などのルイス酸や、ジアミノジフェニルスルホン、ジアミノジフェニルメタンおよびそれらの誘導体や異性体などのポリアミン硬化剤などが好ましく用いられる。   When using these epoxy compounds (C), you may add catalysts and hardening | curing agents, such as an acid and a base, as needed. For example, for curing epoxy resins, Lewis acids such as boron halide complexes and p-toluenesulfonate, and polyamine curing agents such as diaminodiphenylsulfone, diaminodiphenylmethane and their derivatives and isomers are preferably used.

本発明のプリプレグにおいて、硬化剤には、潜在性硬化剤(B)を用いることが好ましい。ここで説明される潜在性硬化剤は、本発明の熱硬化性樹脂の硬化剤であって、温度をかけることで活性化してエポキシ基等の反応基と反応する硬化剤であり、70℃以上で反応が活性化することが好ましい。ここで、70℃で活性化するとは、反応開始温度が70℃の範囲にあることをいう。かかる反応開始温度(以下、活性化温度という)は例えば、示差走査熱量分析(DSC)により求めることができる。具体的には、エポキシ当量184〜194程度のビスフェノールA型エポキシ化合物100質量部に評価対象の硬化剤10質量部を加えたエポキシ樹脂組成物について、示差走査熱量分析により得られる発熱曲線の変曲点の接線とベースラインの接線の交点から求められる。   In the prepreg of the present invention, the latent curing agent (B) is preferably used as the curing agent. The latent curing agent described here is a curing agent for the thermosetting resin of the present invention, which is a curing agent that is activated by applying a temperature and reacts with a reactive group such as an epoxy group, and is 70 ° C. or higher. It is preferable that the reaction is activated. Here, activation at 70 ° C. means that the reaction start temperature is in the range of 70 ° C. Such reaction start temperature (hereinafter referred to as activation temperature) can be determined by, for example, differential scanning calorimetry (DSC). Specifically, for an epoxy resin composition in which 10 parts by mass of the curing agent to be evaluated is added to 100 parts by mass of the bisphenol A type epoxy compound having an epoxy equivalent of about 184 to 194, the inflection of the exothermic curve obtained by differential scanning calorimetry analysis It is obtained from the intersection of the point tangent and the baseline tangent.

潜在性硬化剤(B)は、芳香族アミン硬化剤(B1)、またはジシアンジアミドもしくはその誘導体(B2)であることが好ましい。芳香族アミン硬化剤(B1)としては、エポキシ樹脂硬化剤として用いられる芳香族アミン類であれば特に限定されるものではないが、具体的には、3,3’−ジアミノジフェニルスルホン(3,3’−DDS)、4,4’−ジアミノジフェニルスルホン(4,4’−DDS)、ジアミノジフェニルメタン(DDM)、3,3’−ジイソプロピル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’−ジ−t−ブチル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’−ジエチル−5,5’−ジメチル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’−ジイソプロピル−5,5’−ジメチル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’−ジ−t−ブチル−5,5’−ジメチル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’,5,5’−テトラエチル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’−ジイソプロピル−5,5’−ジエチル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’−ジ−t−ブチル−5,5’−ジエチル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’,5,5’−テトライソプロピル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’−ジ−t−ブチル−5,5’−ジイソプロピル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、3,3’,5,5’−テトラ−t−ブチル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルエーテル(DADPE)、ビスアニリン、ベンジルジメチルアニリン、2−(ジメチルアミノメチル)フェノール(DMP−10)、2,4,6−トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール(DMP−30)、2,4,6−トリス(ジメチルアミノメチル)フェノールの2−エチルヘキサン酸エステル等を使用することができる。これらは、単独で用いても、2種以上を混合して用いてもよい。   The latent curing agent (B) is preferably an aromatic amine curing agent (B1), or dicyandiamide or a derivative thereof (B2). The aromatic amine curing agent (B1) is not particularly limited as long as it is an aromatic amine used as an epoxy resin curing agent. Specifically, 3,3′-diaminodiphenylsulfone (3,3) is used. 3'-DDS), 4,4'-diaminodiphenylsulfone (4,4'-DDS), diaminodiphenylmethane (DDM), 3,3'-diisopropyl-4,4'-diaminodiphenylmethane, 3,3'-di -T-butyl-4,4'-diaminodiphenylmethane, 3,3'-diethyl-5,5'-dimethyl-4,4'-diaminodiphenylmethane, 3,3'-diisopropyl-5,5'-dimethyl-4 , 4′-diaminodiphenylmethane, 3,3′-di-t-butyl-5,5′-dimethyl-4,4′-diaminodiphenylmethane, 3,3 ′, 5,5 ′ -Tetraethyl-4,4'-diaminodiphenylmethane, 3,3'-diisopropyl-5,5'-diethyl-4,4'-diaminodiphenylmethane, 3,3'-di-t-butyl-5,5'-diethyl -4,4'-diaminodiphenylmethane, 3,3 ', 5,5'-tetraisopropyl-4,4'-diaminodiphenylmethane, 3,3'-di-t-butyl-5,5'-diisopropyl-4, 4'-diaminodiphenylmethane, 3,3 ', 5,5'-tetra-t-butyl-4,4'-diaminodiphenylmethane, diaminodiphenyl ether (DADPE), bisaniline, benzyldimethylaniline, 2- (dimethylaminomethyl) phenol (DMP-10), 2,4,6-tris (dimethylaminomethyl) phenol (DMP-30), 2 4,6-tris (dimethylaminomethyl) 2-ethylhexanoic acid ester of a phenol or the like can be used. These may be used alone or in admixture of two or more.

芳香族アミン硬化剤(B1)の市販品としては、セイカキュアS(和歌山精化工業(株)製)、MDA−220(三井化学(株)製)、“jERキュア(登録商標)”W(ジャパンエポキシレジン(株)製)、および3,3’−DAS(三井化学(株)製)、Lonzacure(登録商標)M−DEA(Lonza(株)製)、“Lonzacure(登録商標)”M−DIPA(Lonza(株)製)、“Lonzacure(登録商標)”M−MIPA(Lonza(株)製)および“Lonzacure(登録商標)”DETDA 80(Lonza(株)製)などが挙げられる。   Commercially available aromatic amine curing agents (B1) include Seika Cure S (manufactured by Wakayama Seika Kogyo Co., Ltd.), MDA-220 (manufactured by Mitsui Chemicals), “jER Cure (registered trademark)” W (Japan) Epoxy Resin Co., Ltd.), and 3,3′-DAS (Mitsui Chemicals Co., Ltd.), Lonzacure® M-DEA (Lonza Co., Ltd.), “Lonzacure®” M-DIPA (Lonza Co., Ltd.), “Lonzacure (registered trademark)” M-MIPA (Lonza Co., Ltd.), “Lonzacure (registered trademark)” DETDA 80 (Lonza Co., Ltd.), and the like.

ジシアンジアミド誘導体またはその誘導体(B2)とは、アミノ基、イミノ基およびシアノ基の少なくとも一つを用いて反応させた化合物であり、例えば、o−トリルビグアニド、ジフェニルビグアニドや、ジシアンジアミドのアミノ基、イミノ基またはシアノ基にエポキシ樹脂組成物に用いるエポキシ化合物のエポキシ基を予備反応させたものである。   The dicyandiamide derivative or its derivative (B2) is a compound reacted with at least one of an amino group, an imino group and a cyano group. For example, o-tolylbiguanide, diphenylbiguanide, dicyandiamide amino group, imino A group or a cyano group is pre-reacted with an epoxy group of an epoxy compound used in an epoxy resin composition.

ジシアンジアミドまたはその誘導体(B2)の市販品としては、DICY−7、DICY−15(以上、ジャパンエポキシレジン(株)製)などが挙げられる。   As a commercial item of dicyandiamide or its derivative (B2), DICY-7, DICY-15 (above, Japan Epoxy Resin Co., Ltd. product) etc. are mentioned.

芳香族アミン硬化剤(B1)、ジシアンジアミドまたはその誘導体(B2)以外の硬化剤としては、脂環式アミンなどのアミン、フェノール化合物、酸無水物、ポリアミノアミド、有機酸ヒドラジド、イソシアネートを芳香族ジアミン硬化剤に併用して用いてもよい。   Curing agents other than aromatic amine curing agent (B1), dicyandiamide or its derivative (B2) include amines such as alicyclic amines, phenolic compounds, acid anhydrides, polyaminoamides, organic acid hydrazides, and isocyanates as aromatic diamines. You may use together with a hardening | curing agent.

また、硬化剤の総量は、全エポキシ樹脂成分のエポキシ基1当量に対し、活性水素基が0.6〜1.2当量の範囲となる量を含むことが好ましく、より好ましくは0.7〜0.9当量の範囲となる量を含むことである。ここで、活性水素基とは、硬化剤成分のエポキシ基と反応しうる官能基を意味し、活性水素基が0.6当量に満たない場合は、硬化物の反応率、耐熱性、弾性率が不足し、また、繊維強化複合材料のガラス転移温度や強度が不足する場合がある。また、活性水素基が1.2当量を超える場合は、硬化物の反応率、ガラス転移温度、弾性率は十分であるが、塑性変形能力が不足するため、炭素繊維強化複合材料の耐衝撃性が不足する場合がある。   Moreover, it is preferable that the total amount of a hardening | curing agent contains the quantity from which an active hydrogen group becomes the range of 0.6-1.2 equivalent with respect to 1 equivalent of epoxy groups of all the epoxy resin components, More preferably, 0.7- Including an amount in the range of 0.9 equivalents. Here, the active hydrogen group means a functional group that can react with the epoxy group of the curing agent component, and when the active hydrogen group is less than 0.6 equivalent, the reaction rate, heat resistance, and elastic modulus of the cured product. In some cases, the glass transition temperature and strength of the fiber reinforced composite material may be insufficient. If the active hydrogen group exceeds 1.2 equivalents, the reaction rate, glass transition temperature, and elastic modulus of the cured product are sufficient, but the plastic deformation ability is insufficient, so the impact resistance of the carbon fiber reinforced composite material May be insufficient.

また、熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂の場合、硬化を促進させることを目的に、硬化促進剤(D)を配合することもできる。   Moreover, when a thermosetting resin is an epoxy resin, a hardening accelerator (D) can also be mix | blended in order to accelerate hardening.

硬化促進剤(D)としては、ウレア化合物、第三級アミンとその塩、イミダゾールとその塩、トリフェニルホスフィンまたはその誘導体、カルボン酸金属塩や、ルイス酸類やブレンステッド酸類とその塩類などが挙げられる。中でも、保存安定性と触媒能力のバランスから、ウレア化合物(D1)が好適に用いられる。   Examples of the curing accelerator (D) include urea compounds, tertiary amines and salts thereof, imidazoles and salts thereof, triphenylphosphine or derivatives thereof, carboxylic acid metal salts, Lewis acids, Bronsted acids and salts thereof, and the like. It is done. Of these, the urea compound (D1) is preferably used from the balance between storage stability and catalytic ability.

特に、硬化促進剤(D)としてウレア化合物(D1)が用いられる場合、潜在性硬化剤(B)としてジシアンジアミドまたはその誘導体(D2)と組み合わせて用いられることが好適である。   In particular, when the urea compound (D1) is used as the curing accelerator (D), it is preferable that the latent curing agent (B) is used in combination with dicyandiamide or a derivative (D2) thereof.

ウレア化合物(D1)としては、例えば、N,N−ジメチル−N’−(3,4−ジクロロフェニル)ウレア、トルエンビス(ジメチルウレア)、4,4’−メチレンビス(フェニルジメチルウレア)、3−フェニル−1,1−ジメチルウレアなどを使用することができる。かかるウレア化合物の市販品としては、DCMU99(保土谷化学(株)製)、“Omicure(登録商標)”24、52、94(以上、Emerald Performance Materials,LLC製)などが挙げられる。   Examples of the urea compound (D1) include N, N-dimethyl-N ′-(3,4-dichlorophenyl) urea, toluenebis (dimethylurea), 4,4′-methylenebis (phenyldimethylurea), and 3-phenyl. -1,1-dimethylurea and the like can be used. Examples of commercially available urea compounds include DCMU99 (manufactured by Hodogaya Chemical Co., Ltd.), “Omicure (registered trademark)” 24, 52, 94 (manufactured by Emerald Performance Materials, LLC).

ウレア化合物(D1)の配合量は、全エポキシ樹脂成分100質量部に対して1〜4質量部とすることが好ましい。かかるウレア化合物(D1)の配合量が1質量部に満たない場合は、反応が十分に進行せず、硬化物の弾性率と耐熱性が不足することがある。また、かかるウレア化合物の配合量が4質量部を超える場合は、エポキシ化合物の自己重合反応が、エポキシ化合物と硬化剤との反応を阻害するため、硬化物の靭性が不足することや、弾性率が低下することがある。   It is preferable that the compounding quantity of a urea compound (D1) shall be 1-4 mass parts with respect to 100 mass parts of all the epoxy resin components. When the compounding quantity of this urea compound (D1) is less than 1 mass part, reaction may not fully advance and the elasticity modulus and heat resistance of hardened | cured material may be insufficient. Moreover, when the compounding quantity of this urea compound exceeds 4 mass parts, since the self-polymerization reaction of an epoxy compound inhibits reaction with an epoxy compound and a hardening | curing agent, the toughness of hardened | cured material is insufficient, and an elasticity modulus May decrease.

また、これらエポキシ樹脂と硬化剤、あるいはそれらの一部を予備反応させた物を組成物中に配合することもできる。この方法は、粘度調節や保存安定性向上に有効な場合がある。   Moreover, the thing which made these epoxy resin and hardening | curing agent, or some of them pre-react can be mix | blended in a composition. This method may be effective for viscosity adjustment and storage stability improvement.

本発明のプリプレグには、靱性や流動性を調整するために、熱可塑性樹脂が含まれていることが好ましく、耐熱性の観点から、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリフェニレンエーテル、フェノキシ樹脂、ポリオレフィンから選ばれる少なくとも1種を含むことがより好ましい。また、熱可塑性樹脂のオリゴマーを含ませることができる。また、エラストマー、フィラーおよびその他の添加剤を配合することもできる。なお、熱可塑性樹脂は、プリプレグを構成する熱硬化性樹脂に含まれていると良い。さらに、熱硬化性樹脂として、エポキシ樹脂が用いられる場合、熱可塑性樹脂としては、エポキシ樹脂に可溶性の熱可塑性樹脂や、ゴム粒子および熱可塑性樹脂粒子等の有機粒子等を配合することができる。かかるエポキシ樹脂に可溶性の熱可塑性樹脂としては、樹脂と炭素繊維との接着性改善効果が期待できる水素結合性の官能基を有する熱可塑性樹脂が好ましく用いられる。   The prepreg of the present invention preferably contains a thermoplastic resin in order to adjust toughness and fluidity. From the viewpoint of heat resistance, polysulfone, polyethersulfone, polyetherimide, polyimide, polyamide, polyamide More preferably, it contains at least one selected from imide, polyphenylene ether, phenoxy resin, and polyolefin. Moreover, the oligomer of a thermoplastic resin can be included. Moreover, an elastomer, a filler, and another additive can also be mix | blended. Note that the thermoplastic resin is preferably contained in the thermosetting resin constituting the prepreg. Furthermore, when an epoxy resin is used as the thermosetting resin, as the thermoplastic resin, a thermoplastic resin soluble in the epoxy resin, organic particles such as rubber particles and thermoplastic resin particles, and the like can be blended. As the thermoplastic resin soluble in the epoxy resin, a thermoplastic resin having a hydrogen bonding functional group that can be expected to improve the adhesion between the resin and the carbon fiber is preferably used.

エポキシ樹脂可溶で、水素結合性官能基を有する熱可塑性樹脂として、アルコール性水酸基を有する熱可塑性樹脂、アミド結合を有する熱可塑性樹脂やスルホニル基を有する熱可塑性樹脂を使用することができる。   As the thermoplastic resin soluble in epoxy resin and having a hydrogen bonding functional group, a thermoplastic resin having an alcoholic hydroxyl group, a thermoplastic resin having an amide bond, or a thermoplastic resin having a sulfonyl group can be used.

かかるアルコール性水酸基を有する熱可塑性樹脂としては、ポリビニルホルマールやポリビニルブチラールなどのポリビニルアセタール樹脂、ポリビニルアルコール、フェノキシ樹脂を挙げることができ、また、アミド結合を有する熱可塑性樹脂としては、ポリアミド、ポリイミド、ポリビニルピロリドンを挙げることができ、さらに、スルホニル基を有する熱可塑性樹脂としては、ポリスルホンを挙げることができる。ポリアミド、ポリイミドおよびポリスルホンは、主鎖にエーテル結合、カルボニル基などの官能基を有してもよい。ポリアミドは、アミド基の窒素原子に置換基を有してもよい。   Examples of the thermoplastic resin having an alcoholic hydroxyl group include polyvinyl acetal resins such as polyvinyl formal and polyvinyl butyral, polyvinyl alcohol, and phenoxy resins. Examples of the thermoplastic resin having an amide bond include polyamide, polyimide, Polyvinyl pyrrolidone can be mentioned, and as a thermoplastic resin having a sulfonyl group, polysulfone can be mentioned. Polyamide, polyimide and polysulfone may have a functional group such as an ether bond and a carbonyl group in the main chain. The polyamide may have a substituent on the nitrogen atom of the amide group.

エポキシ樹脂に可溶で水素結合性官能基を有する熱可塑性樹脂の市販品を例示すると、ポリビニルアセタール樹脂として、デンカブチラール(電気化学工業(株)製)、“ビニレック(登録商標)”(チッソ(株)製)、フェノキシ樹脂として、“UCAR(登録商標)”PKHP(ユニオンカーバイド(株)製)、ポリアミド樹脂として“マクロメルト(登録商標)”(ヘンケル白水(株)製)、“アミラン(登録商標)”(東レ(株)製)、ポリイミドとして“ウルテム(登録商標)”(SABICイノベーティブプラスチックスジャパン合同会社製)、“Matrimid(登録商標)”5218(チバ(株)製)、ポリスルホンとして“スミカエクセル(登録商標)”(住友化学(株)製)、“UDEL(登録商標)”、RADEL(登録商標)”(以上、ソルベイアドバンストポリマーズ(株)製)、ポリビニルピロリドンとして、“ルビスコール(登録商標)”(ビーエーエスエフジャパン(株)製)を挙げることができる。   Examples of commercially available thermoplastic resins that are soluble in epoxy resins and have hydrogen-bonding functional groups include, as polyvinyl acetal resins, Denkabutyral (manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.), “Vinylec (registered trademark)” (Chisso ( Manufactured by Co., Ltd.), “UCAR (registered trademark)” PKHP (made by Union Carbide Co., Ltd.) as a phenoxy resin, “Macromelt (registered trademark)” (produced by Henkel Hakusui Co., Ltd.), “Amilan (registered) as a polyamide resin Trademark) ”(manufactured by Toray Industries, Inc.),“ Ultem (registered trademark) ”(manufactured by SABIC Innovative Plastics Japan LLC),“ Matrimid (registered trademark) ”5218 (manufactured by Ciba), and“ polysulfone ” "Sumika Excel (registered trademark)" (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.), "UDEL (registered trademark)", RADEL Registered trademark) "(or, Solvay Advanced Polymers Co., Ltd.), as a polyvinylpyrrolidone," Luviskol (registered trademark) "(BASF Japan Ltd. can be exemplified, Ltd.).

また、アクリル系樹脂は、エポキシ樹脂との相溶性が高く、増粘等の流動性調整のために好適に用いられる。アクリル系樹脂の市販品を例示すると、“ダイヤナール(登録商標)”BRシリーズ(三菱レイヨン(株)製)、“マツモトマイクロスフェアー(登録商標)”M,M100,M500(松本油脂製薬(株)製)、“Nanostrength(登録商標)”E40F、M22N、M52N(アルケマ(株)製)などを挙げることができる。   In addition, the acrylic resin has high compatibility with the epoxy resin, and is suitably used for fluidity adjustment such as thickening. Examples of commercially available acrylic resins include “Dianal (registered trademark)” BR series (manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd.), “Matsumoto Microsphere (registered trademark)” M, M100, M500 (Matsumoto Yushi Seiyaku Co., Ltd.) And “Nanostrength (registered trademark)” E40F, M22N, M52N (manufactured by Arkema Co., Ltd.), and the like.

特に、耐熱性をほとんど損なわずにこれらの効果を発揮できることから、ポリエーテルスルホンやポリエーテルイミドが好適である。ポリエーテルスルホンとしては、“スミカエクセル”(登録商標)3600P、“スミカエクセル”(登録商標)5003P、“スミカエクセル”(登録商標)5200P、“スミカエクセル”2(登録商標、以上、住友化学工業(株)製)7200P、“VIrantage”(登録商標)PESU VW−10200、“VIrantage”(登録商標)PESU VW−10700(登録商標、以上、ソルベイアドバンスポリマーズ(株)製)、“Ultrason”(登録商標)2020SR(BASF(株)製)、ポリエーテルイミドとしては、“ウルテム”(登録商標)1000、“ウルテム”(登録商標)1010、“ウルテム”(登録商標)1040(以上、SABICイノベーティブプラスチックスジャパン合同会社製)などを使用することができる。   In particular, polyethersulfone and polyetherimide are preferable because these effects can be exhibited without substantially impairing heat resistance. Polyethersulfone includes "Sumika Excel" (registered trademark) 3600P, "Sumika Excel" (registered trademark) 5003P, "Sumika Excel" (registered trademark) 5200P, "Sumika Excel" 2 (registered trademark, above, Sumitomo Chemical Industries) 7200P, “VIrantage” (registered trademark) PESU VW-10200, “VIrantage” (registered trademark) PESU VW-10700 (registered trademark, manufactured by Solvay Advance Polymers, Inc.), “Ultrason” (registered) Trademark) 2020SR (manufactured by BASF Corp.), polyetherimide includes “Ultem” (registered trademark) 1000, “Ultem” (registered trademark) 1010, “Ultem” (registered trademark) 1040 (above, SABIC Innovative Plastics) (Made by Japan GK) It can be used.

かかる熱可塑性樹脂は、特に含浸性を中心としたプリプレグ作製工程に支障をきたさないように、エポキシ樹脂組成物中に均一溶解しているか、粒子の形態で微分散していることが好ましい。   The thermoplastic resin is preferably uniformly dissolved in the epoxy resin composition or finely dispersed in the form of particles so as not to hinder the prepreg manufacturing process centering on impregnation.

また、かかる熱可塑性樹脂の配合量は、エポキシ樹脂組成物中に溶解せしめる場合には、エポキシ樹脂100質量部に対して1〜40質量部が好ましく、より好ましくは1〜25質量部である。一方、分散させて用いる場合には、エポキシ樹脂100質量部に対して10〜40質量部が好ましく、より好ましくは15〜30質量部である。熱可塑性樹脂がかかる配合量に満たないと、靭性向上効果が不十分となる場合がある。また、熱可塑性樹脂が前記範囲を超える場合は、含浸性、タック・ドレープおよび耐熱性が低下する場合がある。   In addition, the amount of the thermoplastic resin to be dissolved in the epoxy resin composition is preferably 1 to 40 parts by mass, more preferably 1 to 25 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the epoxy resin. On the other hand, when used in a dispersed state, the amount is preferably 10 to 40 parts by mass, more preferably 15 to 30 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the epoxy resin. If the thermoplastic resin is less than this blending amount, the effect of improving toughness may be insufficient. Moreover, when a thermoplastic resin exceeds the said range, impregnation property, tack drape, and heat resistance may fall.

さらに、本発明のマトリックス樹脂を改質するために、上述した熱可塑性樹脂以外にエポキシ樹脂以外の熱硬化性樹脂、エラストマー、フィラー、ゴム粒子、熱可塑性樹脂粒子、無機粒子およびその他の添加剤を配合することもできる。   Furthermore, in order to modify the matrix resin of the present invention, in addition to the thermoplastic resin described above, a thermosetting resin other than an epoxy resin, an elastomer, a filler, rubber particles, thermoplastic resin particles, inorganic particles, and other additives are added. It can also be blended.

本発明に好ましく用いられるエポキシ樹脂には、ゴム粒子を配合することもできる。かかるゴム粒子としては、架橋ゴム粒子、および架橋ゴム粒子の表面に異種ポリマーをグラフト重合したコアシェルゴム粒子が、取り扱い性等の観点から好ましく用いられる。   Rubber particles can also be blended with the epoxy resin preferably used in the present invention. As such rubber particles, cross-linked rubber particles, and core-shell rubber particles obtained by graft polymerization of a different polymer on the surface of the cross-linked rubber particles are preferably used from the viewpoint of handleability and the like.

架橋ゴム粒子の市販品としては、カルボキシル変性のブタジエン−アクリロニトリル共重合体の架橋物からなるFX501P(JSR(株)製)、アクリルゴム微粒子からなるCX−MNシリーズ(日本触媒(株)製)、YR−500シリーズ(新日鐵化学(株)製)等を使用することができる。   As commercial products of crosslinked rubber particles, FX501P (manufactured by JSR Co., Ltd.) composed of a crosslinked product of carboxyl-modified butadiene-acrylonitrile copolymer, CX-MN series (manufactured by Nippon Shokubai Co., Ltd.) composed of acrylic rubber fine particles, YR-500 series (manufactured by Nippon Steel Chemical Co., Ltd.) and the like can be used.

コアシェルゴム粒子の市販品としては、例えば、ブタジエン・メタクリル酸アルキル・スチレン共重合物からなる“パラロイド(登録商標)”EXL−2655(呉羽化学工業(株)製)、アクリル酸エステル・メタクリル酸エステル共重合体からなる“スタフィロイド(登録商標)”AC−3355、TR−2122(以上、武田薬品工業(株)製)、アクリル酸ブチル・メタクリル酸メチル共重合物からなる“PARALOID(登録商標)”EXL−2611、EXL−3387(以上、Rohm&Haas社製)、“カネエース(登録商標)”MX(カネカ(株)製)等を使用することができる。   Commercially available core-shell rubber particles include, for example, “Paraloid (registered trademark)” EXL-2655 (manufactured by Kureha Chemical Co., Ltd.), acrylic ester / methacrylic ester, composed of a butadiene / alkyl methacrylate / styrene copolymer. "STAPHYLOID (registered trademark)" AC-3355 made of a copolymer, TR-2122 (above, manufactured by Takeda Pharmaceutical Co., Ltd.), "PARARAID (registered trademark)" made of a copolymer of butyl acrylate and methyl methacrylate “EXL-2611, EXL-3387 (manufactured by Rohm & Haas)”, “Kane Ace (registered trademark)” MX (manufactured by Kaneka Corporation), and the like can be used.

熱可塑性樹脂粒子としては、先に例示した各種の熱可塑性樹脂と同様のものを用いることができる。中でも、ポリアミド粒子やポリイミド粒子が好ましく用いられ、ポリアミドの中でも、ナイロン12、ナイロン6、ナイロン11やナイロン6/12共重合体やエポキシ化合物で変性されたナイロン(エポキシ変性ナイロン)は、特に良好な熱硬化性樹脂との接着強度を与えることができることから、落錘衝撃時の炭素繊維強化複合材料の層間剥離強度が高く、耐衝撃性の向上効果が高いため好ましい。ポリアミド粒子の市販品として、SP−500、SP−10(東レ(株)製)、“オルガソール(登録商標)”(アルケマ(株)製)等を使用することができる。   As the thermoplastic resin particles, those similar to the various thermoplastic resins exemplified above can be used. Of these, polyamide particles and polyimide particles are preferably used. Among polyamides, nylon 12, nylon 6, nylon 11, nylon 6/12 copolymer, and nylon modified with an epoxy compound (epoxy modified nylon) are particularly good. Since the adhesive strength with the thermosetting resin can be given, the delamination strength of the carbon fiber reinforced composite material at the time of falling weight impact is high, and the impact resistance improvement effect is high, which is preferable. As commercial products of polyamide particles, SP-500, SP-10 (manufactured by Toray Industries, Inc.), “Orgasol (registered trademark)” (manufactured by Arkema Co., Ltd.) and the like can be used.

この熱可塑性樹脂粒子の形状としては、球状粒子でも非球状粒子でも、また多孔質粒子でもよいが、球状の方が樹脂の流動特性を低下させないため粘弾性に優れ、また応力集中の起点がなく、高い耐衝撃性を与えるという点で好ましい態様である。本発明では、本発明の効果を損なわない範囲において、エポキシ樹脂組成物の増粘等の流動性調整のため、エポキシ樹脂組成物に、シリカ、アルミナ、スメクタイトおよび合成マイカ等の無機粒子を配合することができる。   The shape of the thermoplastic resin particles may be spherical particles, non-spherical particles, or porous particles, but the spherical shape is superior in viscoelasticity because it does not deteriorate the flow characteristics of the resin, and there is no origin of stress concentration. This is a preferred embodiment in terms of giving high impact resistance. In the present invention, inorganic particles such as silica, alumina, smectite, and synthetic mica are blended in the epoxy resin composition in order to adjust fluidity such as thickening of the epoxy resin composition within a range that does not impair the effects of the present invention. be able to.

本発明のプリプレグは、炭素繊維同士の接触確率を高め炭素繊維強化複合材料の導電性を向上させる目的で、導電性フィラーを混合して用いることも好ましい。このような導電性フィラーとしては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、気相成長法炭素繊維(VGCF)、フラーレン、金属ナノ粒子、カーボン粒子、金属めっきした先に例示した熱可塑性樹脂の粒子、金属めっきした先に例示した熱硬化性樹脂の粒子などが挙げられ、単独で使用しても併用してもよい。なかでも安価で効果の高いカーボンブラック、カーボン粒子が好ましく用いられ、かかるカーボンブラックとしては、例えば、ファーネスブラック、アセチレンブラック、サーマルブラック、チャンネルブラック、ケッチェンブラックなどを使用することができ、これらを2種類以上ブレンドしたカーボンブラックも好適に用いられる。また、かかるカーボン粒子として“ベルパール(登録商標)”C−600、C−800、C−2000(鐘紡(株)製)、“NICABEADS(登録商標)”ICB、PC、MC(日本カーボン(株)製)などが具体的に挙げられる。金属めっきした熱硬化性樹脂粒子としてはジビニルベンゼンポリマー粒子にニッケルをメッキし、さらにその上に金をメッキした粒子“ミクロパール(登録商標)”AU215などが具体的に挙げられる。   The prepreg of the present invention is also preferably used by mixing conductive fillers for the purpose of increasing the contact probability between carbon fibers and improving the conductivity of the carbon fiber reinforced composite material. Examples of such conductive fillers include carbon black, carbon nanotube, vapor grown carbon fiber (VGCF), fullerene, metal nanoparticles, carbon particles, metal-plated thermoplastic resin particles, and metal-plated metals. The thermosetting resin particle | grains etc. which were illustrated previously are mentioned, It may be used independently or may be used together. Of these, carbon black and carbon particles that are inexpensive and highly effective are preferably used. For example, furnace black, acetylene black, thermal black, channel black, ketjen black, and the like can be used. Carbon black blended in two or more types is also preferably used. Further, as such carbon particles, “Bell Pearl (registered trademark)” C-600, C-800, C-2000 (manufactured by Kanebo Co., Ltd.), “NICABEADS (registered trademark)” ICB, PC, MC (Nippon Carbon Co., Ltd.) And the like). Specific examples of the metal-plated thermosetting resin particles include “Micropearl (registered trademark)” AU215, in which divinylbenzene polymer particles are plated with nickel and then gold is plated thereon.

次に、本発明のプリプレグの製造方法について説明する。   Next, the manufacturing method of the prepreg of this invention is demonstrated.

本発明のプリプレグは、マトリックス樹脂である熱硬化性樹脂組成物をサイジング剤塗布炭素繊維束に含浸せしめたものである。プリプレグは、例えば、マトリックス樹脂をメチルエチルケトンやメタノールなどの溶媒に溶解して低粘度化し、含浸させるウェット法あるいは加熱により低粘度化し、含浸させるホットメルト法などの方法により製造することができる。   The prepreg of the present invention is obtained by impregnating a sizing agent-coated carbon fiber bundle with a thermosetting resin composition that is a matrix resin. The prepreg can be produced by, for example, a wet method in which a matrix resin is dissolved in a solvent such as methyl ethyl ketone or methanol to lower the viscosity and impregnated, or a hot melt method in which the viscosity is lowered by heating and impregnated.

ウェット法では、サイジング剤塗布炭素繊維束をマトリックス樹脂が含まれる液体に浸漬した後、引き上げ、オーブンなどを用いて溶媒を蒸発させてプリプレグを得ることができる。   In the wet method, after sizing agent-coated carbon fiber bundles are immersed in a liquid containing a matrix resin, the prepreg can be obtained by pulling up and evaporating the solvent using an oven or the like.

また、ホットメルト法では、加熱により低粘度化したマトリックス樹脂を直接サイジング剤塗布炭素繊維束に含浸させる方法、あるいは一旦マトリックス樹脂組成物を離型紙などの上にコーティングしたフィルムをまず作成し、ついでサイジング剤塗布炭素繊維束の両側あるいは片側から該フィルムを重ね、加熱加圧してマトリックス樹脂をサイジング剤塗布炭素繊維束に含浸させる方法により、プリプレグを製造することができる。ホットメルト法は、プリプレグ中に残留する溶媒がないため好ましい手段である。   In addition, in the hot melt method, a method of directly impregnating a carbon resin bundle coated with a sizing agent with a matrix resin whose viscosity has been reduced by heating, or a film in which a matrix resin composition is once coated on release paper or the like is first prepared. A prepreg can be produced by a method in which the film is laminated from both sides or one side of the sizing agent-coated carbon fiber bundle and heated and pressed to impregnate the sizing agent-coated carbon fiber bundle into the sizing agent-coated carbon fiber bundle. The hot melt method is a preferable means because there is no solvent remaining in the prepreg.

本発明のプリプレグを用いて炭素繊維強化複合材料を成形するには、プリプレグを積層後、積層物に圧力を付与しながらマトリックス樹脂を加熱硬化させる方法などを用いることができる。   In order to form a carbon fiber reinforced composite material using the prepreg of the present invention, a method of heat-curing a matrix resin while applying pressure to the laminate after laminating the prepreg can be used.

熱および圧力を付与する方法には、プレス成形法、オートクレーブ成形法、バッギング成形法、ラッピングテープ法および内圧成形法などがあり、特にスポーツ用品に関しては、ラッピングテープ法と内圧成形法が好ましく採用される。より高品質で高性能の積層複合材料が要求される航空機用途においては、オートクレーブ成形法が好ましく採用される。各種車輌外装にはプレス成形法が好ましく用いられる。   Examples of methods for applying heat and pressure include a press molding method, an autoclave molding method, a bagging molding method, a wrapping tape method, and an internal pressure molding method. Especially for sporting goods, the wrapping tape method and the internal pressure molding method are preferably employed. The For aircraft applications where higher quality and higher performance laminated composite materials are required, the autoclave molding method is preferably employed. A press molding method is preferably used for various vehicle exteriors.

本発明のプリプレグの炭素繊維質量分率は、好ましくは40〜90質量%であり、より好ましくは50〜80質量%である。炭素繊維質量分率が低すぎると、得られる複合材料の質量が過大となり、比強度および比弾性率に優れる繊維強化複合材料の利点が損なわれることがあり、また、炭素繊維質量分率が高すぎると、マトリックス樹脂組成物の含浸不良が生じ、得られる複合材料がボイドの多いものとなり易く、その力学特性が大きく低下することがある。   The carbon fiber mass fraction of the prepreg of the present invention is preferably 40 to 90 mass%, more preferably 50 to 80 mass%. If the carbon fiber mass fraction is too low, the mass of the resulting composite material may be excessive, which may impair the advantages of the fiber-reinforced composite material having excellent specific strength and specific elastic modulus, and the carbon fiber mass fraction may be high. If the amount is too high, poor impregnation of the matrix resin composition occurs, and the resulting composite material tends to have a lot of voids, and the mechanical properties thereof may be greatly deteriorated.

本発明におけるサイジング剤塗布炭素繊維としては、オープンモールド形式、加圧成形、連続成形、マッチドダイ成形など、目的とする用途に合わせて任意の成形方法によって炭素繊維強化複合材料を得ることができる。   As the sizing agent-coated carbon fiber in the present invention, a carbon fiber reinforced composite material can be obtained by an arbitrary molding method such as an open mold type, pressure molding, continuous molding, matched die molding, and the like according to the intended use.

また、本発明において炭素繊維強化複合材料を得る方法としては、上記プリプレグを用いるオートクレーブ成形等の他に、ハンドレイアップ、RTM、“SCRIMP(登録商標)”、フィラメントワインディング、プルトルージョンおよびSMCプレス成形、リアクションインジェクションモールド成形、レジンフィルムインフュージョンなどの成形法を目的に応じて選択し適用することができる。これらのいずれかの成形法を適用することにより、前述のサイジング剤塗布炭素繊維と熱硬化性樹脂組成物の硬化物を含む繊維強化複合材料が得られる。   In addition, as a method for obtaining a carbon fiber reinforced composite material in the present invention, in addition to autoclave molding using the above prepreg, hand lay-up, RTM, “SCRIMP (registered trademark)”, filament winding, pultrusion and SMC press molding. A molding method such as reaction injection molding or resin film infusion can be selected and applied according to the purpose. By applying any of these molding methods, a fiber-reinforced composite material containing the above-described sizing agent-coated carbon fiber and a cured product of the thermosetting resin composition can be obtained.

本発明の炭素繊維強化複合材料は、航空機構造部材、風車の羽根、自動車外板およびICトレイやノートパソコンの筐体(ハウジング)などのコンピュータ用途、さらにはゴルフシャフト、バット、バトミントンやテニスラケットなどスポーツ用途に好ましく用いられる。   The carbon fiber reinforced composite material of the present invention is used for computer structures such as aircraft structural members, windmill blades, automobile outer plates, IC trays and notebook PC housings, and golf shafts, bats, badminton, tennis rackets, etc. It is preferably used for sports applications.

次に、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により制限されるものではない。   EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention concretely, this invention is not restrict | limited by these Examples.

(1)サイジング剤塗布炭素繊維のサイジング剤表面のX線光電子分光法(ハロゲン/炭素)
本発明において、サイジング剤塗布炭素繊維のサイジング剤表面のハロゲン/炭素比率は、X線源としてAlKα1,2を用いたX線光電子分光法により、次の手順に従って求めた。ハロゲンが塩素の場合を示す。
(1) X-ray photoelectron spectroscopy (halogen / carbon) on the sizing agent-coated carbon fiber surface
In the present invention, the halogen / carbon ratio on the sizing agent surface of the sizing agent-coated carbon fiber was determined by X-ray photoelectron spectroscopy using AlKα 1,2 as the X-ray source according to the following procedure. The case where the halogen is chlorine is shown.

サイジング剤塗布炭素繊維を20mmにカットして、銅製の試料支持台に拡げて並べた後、X線源としてAlKα1,2を用い、試料チャンバー中を1×10−8Torrに保ち測定を行った。なお、光電子脱出角度15°で実施した。測定時の帯電に伴うピークの補正値としてC1sのメインピーク(ピークトップ)の結合エネルギー値を284.6eVに合わせた。この時に、C1sピーク面積は、282〜296eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求め、Cl2pピーク面積は、195〜205eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求めた。表面酸素濃度(Cl/C)は、上記Cl2pピーク面積の比を装置固有の感度補正値で割ることにより算出した原子数比で表す。X線光電子分光法装置として、アルバック・ファイ(株)製ESCA−1600を用い、上記装置固有の感度補正値として3.04を用いた。 Cut the sizing agent-coated carbon fiber to 20 mm, and spread and arrange it on a copper sample support. Then, use AlKα 1,2 as the X-ray source and keep the sample chamber at 1 × 10 −8 Torr for measurement. It was. The photoelectron escape angle was 15 °. The binding energy value of the C 1s main peak (peak top) was adjusted to 284.6 eV as a peak correction value associated with charging during measurement. At this time, the C 1s peak area was obtained by drawing a straight base line in the range of 282 to 296 eV, and the Cl 2p peak area was obtained by drawing a straight base line in the range of 195 to 205 eV. The surface oxygen concentration (Cl / C) is expressed as an atomic ratio calculated by dividing the ratio of the Cl 2p peak area by the sensitivity correction value unique to the apparatus. ESCA-1600 manufactured by ULVAC-PHI Co., Ltd. was used as the X-ray photoelectron spectroscopy apparatus, and 3.04 was used as the sensitivity correction value unique to the apparatus.

なお、ハロゲン化合物がフッ素の場合は、F1sピーク面積は、681〜691eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求め、装置固有の感度補正値は3.18を用いた。また、ハロゲン化合物が臭素の場合は、Br3dピーク面積は、65〜75eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求め、装置固有の感度補正値は3.66を用いた。 When the halogen compound is fluorine, the F 1s peak area was obtained by drawing a straight base line in the range of 681 to 691 eV, and 3.18 was used as the device-specific sensitivity correction value. When the halogen compound is bromine, the Br 3d peak area was obtained by drawing a straight base line in the range of 65 to 75 eV, and the sensitivity correction value unique to the apparatus was 3.66.

(2)サイジング剤塗布炭素繊維のサイジング剤の溶出
サイジング剤塗布炭素繊維30gをN,N−ジメチルホルムアミド150ml中に浸漬し、超音波洗浄を行った。
(2) Elution of sizing agent of sizing agent-coated carbon fiber 30 g of sizing agent-coated carbon fiber was immersed in 150 ml of N, N-dimethylformamide and subjected to ultrasonic cleaning.

(3)エポキシ価(b)(b3)(b4)
(2)で溶出したサイジング剤溶液を用いて、塩酸でエポキシ基を開環させ、酸塩基滴定で求めた。
(3) Epoxy value (b) (b3) (b4)
Using the sizing agent solution eluted in (2), the epoxy group was ring-opened with hydrochloric acid and obtained by acid-base titration.

(4)エポキシ価(b1)(b2)、およびエポキシ化合物(A)ないし熱硬化性樹脂に用いるエポキシ化合物(C)のエポキシ価
エポキシ化合物のエポキシ価は、エポキシ化合物をN,N−ジメチルホルムアミドに溶解し、塩酸でエポキシ基を開環させ、酸塩基滴定で求めた。なお、(b1)(b2)は溶媒を除いた成分に対してエポキシ価を算出した。
(4) Epoxy value (b1) (b2) and epoxy value of epoxy compound (A) or epoxy compound (C) used for thermosetting resin The epoxy value of the epoxy compound is obtained by converting the epoxy compound to N, N-dimethylformamide. It melt | dissolved, the epoxy group was opened with hydrochloric acid, and it calculated | required by acid-base titration. In (b1) and (b2), the epoxy value was calculated for the components excluding the solvent.

(5)水酸基価(a)
(2)で溶出したサイジング剤溶液を用いて、無水酢酸を用いて、水酸基をアセチル化し、生成した酢酸を水酸化カリウム溶液で滴定する事により求めた。エポキシ基も滴定されるため、(3)で測定したエポキシ価の値で補正した。
(5) Hydroxyl value (a)
Using the sizing agent solution eluted in (2), the hydroxyl group was acetylated using acetic anhydride, and the generated acetic acid was titrated with a potassium hydroxide solution. Since the epoxy group was also titrated, it was corrected with the value of the epoxy value measured in (3).

(6)溶出されたサイジング剤の重量平均分子量
重量平均分子量は、ジメチルホルムアミド(0.01N−臭化リチウム添加)を溶媒としたGPCにより求めた。なお、測定サンプルは、(2)で溶出したサイジング液を用い、溶媒1mlに対してエポキシ化合物2mgになるように調整した。カラムとしてTSK−gelα3000(東ソー(株)社製)を使用し、単分散ポリスチレンを標準として算出した。なお、検出機は示差屈折率検出器を使用した。
(6) Weight average molecular weight of eluted sizing agent The weight average molecular weight was determined by GPC using dimethylformamide (0.01N-lithium bromide added) as a solvent. In addition, the measurement sample was adjusted so that it might become 2 mg of epoxy compounds with respect to 1 ml of solvent using the sizing liquid eluted in (2). TSK-gelα3000 (manufactured by Tosoh Corporation) was used as a column, and calculation was performed using monodisperse polystyrene as a standard. A differential refractive index detector was used as the detector.

(7)プロセス性
プリプレグを作成するときの、ボビンからサイジング剤塗布炭素繊維を引き出す時の解除性、ローラー上での毛羽の点で判断した。解除性が良く、毛羽が見られない場合は○とした。また、解除時あるいはローラー上で毛羽が多い時には×とした。本発明において、○が好ましい範囲である。
(7) Processability Judging from the releasability when drawing the sizing agent-coated carbon fiber from the bobbin when creating a prepreg, and the point of fluff on the roller. When the release property was good and fluff was not seen, it was rated as “Good”. Moreover, when releasing or when there was much fuzz on a roller, it was set as x. In the present invention, ◯ is a preferred range.

(8)炭素繊維束のストランド引張強度と弾性率
炭素繊維束のストランド引張強度とストランド弾性率は、JIS−R−7608(2004)の樹脂含浸ストランド試験法に準拠し、次の手順に従い求めた。樹脂処方としては、“セロキサイド(登録商標)”2021P(ダイセル化学工業社製)/3フッ化ホウ素モノエチルアミン(東京化成工業(株)製)/アセトン=100/3/4(質量部)を用い、硬化条件としては、常圧、温度125℃、時間30分を用いた。炭素繊維束のストランド10本を測定し、その平均値をストランド引張強度およびストランド弾性率とした。
(8) Strand tensile strength and elastic modulus of carbon fiber bundles Strand tensile strength and strand elastic modulus of carbon fiber bundles were determined according to the following procedure in accordance with the resin-impregnated strand test method of JIS-R-7608 (2004). . As the resin formulation, “Celoxide (registered trademark)” 2021P (manufactured by Daicel Chemical Industries) / 3 boron trifluoride monoethylamine (manufactured by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) / Acetone = 100/3/4 (part by mass) is used. As curing conditions, normal pressure, temperature of 125 ° C., and time of 30 minutes were used. Ten strands of the carbon fiber bundle were measured, and the average value was defined as the strand tensile strength and the strand elastic modulus.

(9)サイジング付着量の測定方法
約2gのサイジング付着炭素繊維束を秤量(W1)(少数第4位まで読み取り)した後、50ミリリットル/分の窒素気流中、450℃の温度に設定した電気炉(容量120cm)に15分間放置し、サイジング剤を完全に熱分解させる。そして、20リットル/分の乾燥窒素気流中の容器に移し、15分間冷却した後の炭素繊維束を秤量(W2)(少数第4位まで読み取り)して、W1−W2によりサイジング付着量を求める。このサイジング付着量を炭素繊維束100質量部に対する量に換算した値(小数点第3位を四捨五入)を、付着したサイジング剤の質量部とした。測定は2回行い、その平均値をサイジング剤の質量部とした。
(9) Method of measuring sizing adhesion amount Electricity set to a temperature of 450 ° C. in a nitrogen stream of 50 ml / min after weighing about 2 g of sizing adhesion carbon fiber bundle (W1) (reading to the fourth decimal place) Leave in a furnace (capacity 120 cm 3 ) for 15 minutes to completely pyrolyze the sizing agent. Then, the carbon fiber bundle is transferred to a container in a dry nitrogen stream of 20 liters / minute and cooled for 15 minutes, and the carbon fiber bundle is weighed (W2) (reads up to the fourth decimal place), and the sizing adhesion amount is obtained by W1-W2. . A value obtained by converting this sizing adhesion amount into an amount with respect to 100 parts by mass of the carbon fiber bundle (rounded off to the third decimal place) was defined as a mass part of the adhering sizing agent. The measurement was performed twice, and the average value was defined as the mass part of the sizing agent.

(10)界面剪断強度(IFSS)の測定
界面剪断強度(IFSS)の測定は、次の(イ)〜(ニ)の手順で行った。
(イ)樹脂の調整
ビスフェノールA型エポキシ化合物“jER(登録商標)”828(三菱化学(株)製)100質量部とメタフェニレンジアミン(シグマアルドリッチジャパン(株)製)14.5質量部を、それぞれ容器に入れた。その後、上記のjER828の粘度低下とメタフェニレンジアミンの溶解のため、75℃の温度で15分間加熱した。その後、両者をよく混合し、80℃の温度で約15分間真空脱泡を行った。
(ロ)炭素繊維単糸を専用モールドに固定
炭素繊維束から単繊維を抜き取り、ダンベル型モールドの長手方向に単繊維に一定張力を与えた状態で両端を接着剤で固定した。その後、炭素繊維およびモールドに付着した水分を除去するため、80℃の温度で30分間以上真空乾燥を行った。ダンベル型モールドはシリコーンゴム製で、注型部分の形状は、中央部分巾5mm、長さ25mm、両端部分巾10mm、全体長さ150mmだった。
(ハ)樹脂注型から硬化まで
上記(ロ)の手順の真空乾燥後のモールド内に、上記(イ)の手順で調整した樹脂を流し込み、オーブンを用いて、昇温速度1.5℃/分で75℃の温度まで上昇し2時間保持後、昇温速度1.5℃/分で125℃の温度まで上昇し2時間保持後、降温速度2.5℃/分で30℃の温度まで降温した。その後、脱型して試験片を得た。
(ニ)界面剪断強度(IFSS)の測定
上記(ハ)の手順で得られた試験片に繊維軸方向(長手方向)に引張力を与え、歪速度0.3%/秒で引張試験を行い、1%引張ごとに、偏光顕微鏡により試験片中心部22mmの範囲における繊維破断数を測定し、繊維破断数が飽和し、単繊維の破断が起こらなくなった時の繊維破断数をN(個)とした。繊維破断数を用いて、平均破断繊維長la(μm)=22×1000(μm)/N(個)を計算した。さらに、平均破断繊維長laから臨界繊維長lc(μm)=(4/3)×la(μm)を計算した。本発明においては炭素繊維と樹脂界面の接着強度の指標である界面剪断強度(IFSS)を、次式で算出した。σは(8)で求めたストランド引張強度、dは炭素繊維単糸の直径を示す。
界面剪断強度IFSS(MPa)=σ(MPa)×d(μm)/(2×lc)(μm)
IFSSの値が30MPa以上を○、20MPa以上30MPa未満を△、20MPa未満を×とした。○△が本発明において好ましい範囲である。
(10) Measurement of interfacial shear strength (IFSS) The interfacial shear strength (IFSS) was measured by the following procedures (a) to (d).
(A) Preparation of resin 100 parts by mass of a bisphenol A type epoxy compound “jER (registered trademark)” 828 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) and 14.5 parts by mass of metaphenylenediamine (manufactured by Sigma-Aldrich Japan Co., Ltd.) Each was placed in a container. Thereafter, the mixture was heated at a temperature of 75 ° C. for 15 minutes in order to reduce the viscosity of the jER828 and dissolve the metaphenylenediamine. Then, both were mixed well and vacuum defoaming was performed at a temperature of 80 ° C. for about 15 minutes.
(B) Fixing the carbon fiber single yarn to the dedicated mold The single fiber was extracted from the carbon fiber bundle, and both ends were fixed with an adhesive in a state where a constant tension was applied to the single fiber in the longitudinal direction of the dumbbell mold. Then, in order to remove the water | moisture content adhering to carbon fiber and a mold, it vacuum-dried for 30 minutes or more at the temperature of 80 degreeC. The dumbbell mold was made of silicone rubber, and the shape of the cast part was a central part width of 5 mm, a length of 25 mm, both end part widths of 10 mm, and an overall length of 150 mm.
(C) From resin casting to curing The resin adjusted in the above procedure (b) is poured into the mold after the vacuum drying in the above step (b), and the temperature rising rate is 1.5 ° C. / The temperature rises to 75 ° C in minutes and is held for 2 hours, then rises to a temperature of 125 ° C at a heating rate of 1.5 ° C / min, held for 2 hours, and then reaches a temperature of 30 ° C at a cooling rate of 2.5 ° C / min. The temperature dropped. Then, it demolded and the test piece was obtained.
(D) Measurement of interfacial shear strength (IFSS) Tensile force was applied to the test piece obtained in the above procedure (c) in the fiber axis direction (longitudinal direction), and a tensile test was performed at a strain rate of 0.3% / second. For each 1% tension, the number of fiber breaks in the range of 22 mm in the center of the specimen is measured with a polarizing microscope, and the number of fiber breaks when the fiber breakage is saturated and no single fiber breakage occurs is N (pieces). It was. Using the number of fiber breaks, an average break fiber length la (μm) = 22 × 1000 (μm) / N (pieces) was calculated. Further, the critical fiber length lc (μm) = (4/3) × la (μm) was calculated from the average breaking fiber length la. In the present invention, the interfacial shear strength (IFSS), which is an index of the adhesive strength between the carbon fiber and the resin interface, was calculated by the following equation. σ is the strand tensile strength determined in (8), and d is the diameter of the carbon fiber single yarn.
Interfacial shear strength IFSS (MPa) = σ (MPa) × d (μm) / (2 × lc) (μm)
When the IFSS value is 30 MPa or more, ◯, 20 MPa or more and less than 30 MPa is Δ, and less than 20 MPa is ×. ○ Δ is a preferred range in the present invention.

(11)繊維強化複合材料の0°の定義
JIS K7017(1999)に記載されているとおり、一方向繊維強化複合材料の繊維方向を軸方向とし、その軸方向を0°軸と定義し軸直交方向を90°と定義した。
(11) Definition of 0 ° of fiber reinforced composite material As described in JIS K7017 (1999), the fiber direction of a unidirectional fiber reinforced composite material is defined as the axial direction, and the axial direction is defined as the 0 ° axis. The direction was defined as 90 °.

(12)繊維強化複合材料の0°引張強度の測定
作成後24時間以内の一方向プリプレグを所定の大きさにカットし、これを一方向に6枚積層した後、真空バッグを行い、オートクレーブを用いて、温度180℃、圧力6kg/cm、2時間で硬化させ、一方向強化材(炭素繊維強化複合材料)を得た。この一方向強化材を幅12.7mm、長さ230mmにカットし、両端に1.2mm、長さ50mmのガラス繊維強化プラスチック製のタブを接着し試験片を得た。このようにして得られた試験片について、インストロン社製万能試験機を用いてクロスヘッドスピード1.27mm/分で引張試験を行った。
(12) Measurement of 0 ° tensile strength of fiber reinforced composite material Cut unidirectional prepreg within 24 hours after preparation into a predetermined size, and stack 6 sheets in one direction, then vacuum bag and autoclave It was cured at a temperature of 180 ° C. and a pressure of 6 kg / cm 2 for 2 hours to obtain a unidirectional reinforcing material (carbon fiber reinforced composite material). The unidirectional reinforcing material was cut into a width of 12.7 mm and a length of 230 mm, and a glass fiber reinforced plastic tab having a length of 1.2 mm and a length of 50 mm was bonded to both ends to obtain a test piece. The test piece thus obtained was subjected to a tensile test at a crosshead speed of 1.27 mm / min using an Instron universal testing machine.

本発明において、0°引張強度の値(MPa)を(8)で求めたストランド強度の値で割り返したものを強度利用率(%)として、次式で求めた。
強度利用率=引張強度/((CF目付/190)×Vf/100×ストランド強度)×100
CF目付=190g/m
Vf=56%
強度利用率が80%以上を○、80%未満を×とした。○が本発明において好ましい範囲である。
In the present invention, the value obtained by dividing the value of the 0 ° tensile strength (MPa) by the value of the strand strength obtained in (8) was obtained as the strength utilization rate (%) by the following formula.
Strength utilization rate = tensile strength / ((CF basis weight / 190) × Vf / 100 × strand strength) × 100
CF basis weight = 190 g / m 2
Vf = 56%
When the strength utilization rate was 80% or more, ◯ was given, and less than 80% was taken as x. ○ is a preferred range in the present invention.

(13)プリプレグ保管後の0°引張強度
プリプレグを温度25℃、湿度60%で20日保管後、(12)と同様にして0°引張強度MPaを測定した。(12)で測定したプリプレグ作成後24時間以内に硬化させたときの0度引張強度(c)MPaと、プリプレグ保管後に硬化したときの0度引張強度(d)MPaとの関係、すなわち引張強度低下率を、下記式(1)から算出した。
(13) 0 ° tensile strength after storage of prepreg After storing the prepreg at a temperature of 25 ° C and a humidity of 60% for 20 days, the 0 ° tensile strength MPa was measured in the same manner as in (12). Relationship between 0 degree tensile strength (c) MPa when cured within 24 hours after prepreg production measured in (12) and 0 degree tensile strength (d) MPa when cured after prepreg storage, that is, tensile strength The decrease rate was calculated from the following formula (1).

((c)−(d))/(c) (%) (1)
引張強度低下率が5%未満を○、5%以上8%未満を△、8%以上を×とした。○が本発明において好ましい範囲である。
((C)-(d)) / (c) (%) (1)
When the tensile strength reduction rate was less than 5%, O, 5% or more and less than 8%, and Δ or 8% or more, respectively. ○ is a preferred range in the present invention.

各実施例および各比較例で用いた材料と成分は下記の通りである。
・エポキシ化合物(A):脂肪族エポキシ化合物(A1)に該当する
“デナコール(登録商標)”EX−512(ナガセケムテックス(株)製)
ポリグリセリンポリグリシジルエーテル
エポキシ価:6.0meq./g、水酸基価2.6meq./g、ハロゲン(Cl):6.5質量%。
・潜在性硬化剤(B)成分:B−1は芳香族アミン硬化剤(B1)に該当する。
B−1:“セイカキュア(登録商標)”S(4,4’−ジアミノジフェニルスルホン、和歌山精化(株)製)
・エポキシ化合物(C)成分:C−1〜C−2。
C−1:テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン、“スミエポキシ(登録商標)”ELM434(住友化学(株)製)
エポキシ価:8.3meq./g
C−2:“jER(登録商標)”828(三菱化学(株)製)
ビスフェノールAのジグリシジルエーテル
エポキシ価:5.3meq./g。
・熱可塑性樹脂
“スミカエクセル(登録商標)”5003P(ポリエーテルスルホン、住友化学工業(株)製)。
The materials and components used in each example and each comparative example are as follows.
Epoxy compound (A): “Denacol (registered trademark)” EX-512 (manufactured by Nagase ChemteX Corporation) corresponding to the aliphatic epoxy compound (A1)
Polyglycerin polyglycidyl ether Epoxy value: 6.0 meq. / G, hydroxyl value 2.6 meq. / G, halogen (Cl): 6.5% by mass.
-Latent curing agent (B) component: B-1 corresponds to an aromatic amine curing agent (B1).
B-1: “Seika Cure (registered trademark)” S (4,4′-diaminodiphenyl sulfone, manufactured by Wakayama Seika Co., Ltd.)
-Epoxy compound (C) component: C-1 to C-2.
C-1: Tetraglycidyldiaminodiphenylmethane, “Sumiepoxy (registered trademark)” ELM434 (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.)
Epoxy value: 8.3 meq. / G
C-2: “jER (registered trademark)” 828 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation)
Diglycidyl ether of bisphenol A Epoxy value: 5.3 meq. / G.
-Thermoplastic resin "Sumika Excel (registered trademark)" 5003P (polyethersulfone, manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.).

(参考例1)
エポキシ化合物(A)として、エポキシ価6.0meq./gのポリグリセリンポリグリシジルエーテルの15質量%水溶液を、加熱攪拌して、表1に示すA−1〜A−6を得た。
(Reference Example 1)
As the epoxy compound (A), an epoxy value of 6.0 meq. / G polyglycerin polyglycidyl ether 15 mass% aqueous solution was heated and stirred to obtain A-1 to A-6 shown in Table 1.

Figure 0006051987
Figure 0006051987

(参考例2)
原料となる炭素繊維は以下の通りに製造した。
(Reference Example 2)
The carbon fiber used as a raw material was manufactured as follows.

アクリロニトリル99モル%とイタコン酸1モル%からなる共重合体を乾湿式紡糸し、焼成し、総フィラメント数24,000本、総繊度1,000テックス、比重1.8、ストランド引張強度5.9GPa、ストランド引張弾性率295GPaの炭素繊維を得た。次いで、その炭素繊維を、濃度0.1モル/lの炭酸水素アンモニウム水溶液を電解液として、電気量を炭素繊維1g当たり80クーロンで電解表面処理した。この電解表面処理を施された炭素繊維を続いて水洗し、150℃の温度の加熱空気中で乾燥し、原料となる炭素繊維を得た。このとき表面酸素濃度O/Cは、0.15、表面カルボキシル基濃度COOH/Cは0.005、表面水酸基濃度COH/Cは0.018であった。このときの炭素繊維の表面粗さ(Ra)は3.0nmだった。   A copolymer composed of 99 mol% of acrylonitrile and 1 mol% of itaconic acid is dried and wet-spun, fired, total number of filaments 24,000, total fineness 1,000 tex, specific gravity 1.8, strand tensile strength 5.9 GPa A carbon fiber having a strand tensile elastic modulus of 295 GPa was obtained. Next, the carbon fiber was subjected to electrolytic surface treatment with an aqueous solution of ammonium hydrogen carbonate having a concentration of 0.1 mol / l as an electrolytic solution at an electric quantity of 80 coulomb per gram of carbon fiber. The carbon fiber subjected to the electrolytic surface treatment was subsequently washed with water and dried in heated air at a temperature of 150 ° C. to obtain a carbon fiber as a raw material. At this time, the surface oxygen concentration O / C was 0.15, the surface carboxyl group concentration COOH / C was 0.005, and the surface hydroxyl group concentration COH / C was 0.018. The surface roughness (Ra) of the carbon fiber at this time was 3.0 nm.

(参考例3)
プリプレグの作製は以下の通りに行った。
(Reference Example 3)
The prepreg was produced as follows.

混練装置で、スミエポキシELM434を80質量部とjER828を20質量部に、10質量部のスミカエクセル5003Pを配合して溶解した後、硬化剤として、セイカキュアS(4,4’−ジアミノジフェニルスルホン)を40質量部混練して、炭素繊維強化複合材料用のエポキシ樹脂組成物を作製した。   In a kneading apparatus, 80 parts by mass of Sumiepoxy ELM434, 20 parts by mass of jER828 and 10 parts by mass of Sumika Excel 5003P were mixed and dissolved, and then Seikacure S (4,4′-diaminodiphenylsulfone) was used as a curing agent. 40 mass parts knead | mixing and produced the epoxy resin composition for carbon fiber reinforced composite materials.

得られたエポキシ樹脂組成物を、ナイフコーターを用いて樹脂目付52g/mで離型紙上にコーティングし、樹脂フィルムを作製した。この樹脂フィルムを、一方向に引き揃えたサイジング剤塗布炭素繊維(目付190g/m)の両側に重ね合せてヒートロールを用い、温度100℃、気圧1気圧で加熱加圧しながらエポキシ樹脂組成物をサイジング剤塗布炭素繊維に含浸させプリプレグを得た。 The obtained epoxy resin composition was coated on a release paper with a resin basis weight of 52 g / m 2 using a knife coater to prepare a resin film. This resin film is superposed on both sides of a sizing agent-coated carbon fiber (weight per unit area 190 g / m 2 ) aligned in one direction, and a heat roll is used to heat and press at 100 ° C. and 1 atm. Was impregnated into carbon fiber coated with a sizing agent to obtain a prepreg.

(実施例1〜4、比較例1、2)
参考例1で得られたサイジング剤(A−1〜6)を浸漬法により、参考例2で得られた炭素繊維に塗布した後、210℃の温度で75秒間熱処理をして、サイジング剤塗布炭素繊維束を得た。サイジング剤の付着量は、サイジング剤塗布炭素繊維に対して0.6質量%となるように調整した。巻き取りをしたボビンの湿潤下での熱処理は行わなかった。
(Examples 1-4, Comparative Examples 1 and 2)
After applying the sizing agent (A-1 to 6) obtained in Reference Example 1 to the carbon fiber obtained in Reference Example 2 by a dipping method, heat treatment was performed at a temperature of 210 ° C. for 75 seconds to apply the sizing agent. A carbon fiber bundle was obtained. The adhesion amount of the sizing agent was adjusted to 0.6% by mass with respect to the sizing agent-coated carbon fiber. No heat treatment was performed on the bobbins wound up under wet conditions.

続いて、サイジング剤表面のX線光電子分光法測定、サイジング剤塗布炭素繊維の界面剪断強度(IFSS)、サイジング剤塗布炭素繊維から溶出されたサイジング剤の水酸基価(a)、エポキシ価(b)((b)は(b3)、(b4)と同じ値)、重量平均分子量を測定した。結果を表1にまとめた。   Subsequently, X-ray photoelectron spectroscopy measurement on the surface of the sizing agent, interfacial shear strength (IFSS) of the carbon fiber coated with the sizing agent, hydroxyl value (a) of the sizing agent eluted from the carbon fiber coated with the sizing agent, and epoxy value (b) ((B) is the same value as (b3) and (b4)), and the weight average molecular weight was measured. The results are summarized in Table 1.

続いて、参考例3の方法で得られたプリプレグの初期およびプリプレグを長期保管した後の引張試験を実施した。その結果を表2に示す。   Then, the initial stage of the prepreg obtained by the method of Reference Example 3 and a tensile test after storing the prepreg for a long time were performed. The results are shown in Table 2.

Figure 0006051987
Figure 0006051987

(実施例5、6、比較例3、4)
参考例1で得られたサイジング剤(A−1)を浸漬法により、参考例2で得られた炭素繊維に塗布した後、210℃の温度で75秒間熱処理をして、サイジング剤塗布炭素繊維束を得た。サイジング剤の付着量は、サイジング剤塗布炭素繊維に対して0.6質量%となるように調整した。このサイジング剤塗布炭素繊維束のエポキシ価(b3)は4.6meq./gだった。続いて、湿潤下、エポキシ価(b)((b)は(b4)と同じ値)が表3の値になるまで加熱処理を行った。
(Examples 5 and 6, Comparative Examples 3 and 4)
After applying the sizing agent (A-1) obtained in Reference Example 1 to the carbon fiber obtained in Reference Example 2 by a dipping method, heat treatment was performed at a temperature of 210 ° C. for 75 seconds to obtain a sizing agent-coated carbon fiber. Got a bunch. The adhesion amount of the sizing agent was adjusted to 0.6% by mass with respect to the sizing agent-coated carbon fiber. The epoxy value (b3) of this sizing agent-coated carbon fiber bundle was 4.6 meq. / G. Subsequently, heat treatment was performed under wet conditions until the epoxy value (b) ((b) was the same value as (b4)) reached the values shown in Table 3.

続いて、サイジング剤表面のX線光電子分光法測定、サイジング剤塗布炭素繊維の界面剪断強度(IFSS)、サイジング剤塗布炭素繊維から溶出されたサイジング剤の水酸基価(a)、エポキシ価(b)、重量平均分子量を測定した。結果を表3にまとめた。   Subsequently, X-ray photoelectron spectroscopy measurement on the surface of the sizing agent, interfacial shear strength (IFSS) of the carbon fiber coated with the sizing agent, hydroxyl value (a) of the sizing agent eluted from the carbon fiber coated with the sizing agent, and epoxy value (b) The weight average molecular weight was measured. The results are summarized in Table 3.

続いて、参考例3の方法で得られたプリプレグの初期およびプリプレグを長期保管した後の引張試験を実施した。その結果を表3に示す。   Then, the initial stage of the prepreg obtained by the method of Reference Example 3 and a tensile test after storing the prepreg for a long time were performed. The results are shown in Table 3.

(比較例5)
参考例1で得られたサイジング剤(A−1)を浸漬法により、参考例2で得られた炭素繊維に塗布した後、210℃の温度で75秒間熱処理をして、サイジング剤塗布炭素繊維を得た。サイジング剤の付着量は、サイジング剤塗布炭素繊維に対して0.6質量%となるように調整した。このサイジング剤塗布炭素繊維束のエポキシ価(b3)は4.6meq./gだった。続いて、260℃でエポキシ価(b)が表3の値になるまで加熱処理を行った。なお、湿潤下での処理をしていないため、(b3)/(b4)は1.0である。
(Comparative Example 5)
After applying the sizing agent (A-1) obtained in Reference Example 1 to the carbon fiber obtained in Reference Example 2 by a dipping method, heat treatment was performed at a temperature of 210 ° C. for 75 seconds to obtain a sizing agent-coated carbon fiber. Got. The adhesion amount of the sizing agent was adjusted to 0.6% by mass with respect to the sizing agent-coated carbon fiber. The epoxy value (b3) of this sizing agent-coated carbon fiber bundle was 4.6 meq. / G. Subsequently, heat treatment was performed at 260 ° C. until the epoxy value (b) reached the value shown in Table 3. Note that (b3) / (b4) is 1.0 because no treatment is performed under wet conditions.

続いて、サイジング剤表面のX線光電子分光法測定、サイジング剤塗布炭素繊維の界面剪断強度(IFSS)、サイジング剤塗布炭素繊維から溶出されたサイジング剤の水酸基価(a)、エポキシ価(b)、重量平均分子量の結果を表3にまとめた。   Subsequently, X-ray photoelectron spectroscopy measurement on the surface of the sizing agent, interfacial shear strength (IFSS) of the carbon fiber coated with the sizing agent, hydroxyl value (a) of the sizing agent eluted from the carbon fiber coated with the sizing agent, and epoxy value (b) The results of the weight average molecular weight are summarized in Table 3.

続いて、参考例3の方法で得られたプリプレグの初期およびプリプレグを長期保管した後の引張試験を実施した。その結果を表3に示す。   Then, the initial stage of the prepreg obtained by the method of Reference Example 3 and a tensile test after storing the prepreg for a long time were performed. The results are shown in Table 3.

Figure 0006051987
Figure 0006051987

本発明のサイジング剤塗布炭素繊維およびサイジング剤塗布炭素繊維の製造方法は、優れた接着性とプリプレグにしたときの長期安定性および高次加工性を有することから、織物やプリプレグへの加工に適する。また、本発明のプリプレグおよび炭素繊維強化複合材料は、軽量でありながら強度、弾性率が優れるため、航空機部材、宇宙機部材、自動車部材、船舶部材、土木建築材およびスポーツ用品等の多くの分野に好適に用いることができる。   The sizing agent-coated carbon fiber and the method for producing the sizing agent-coated carbon fiber of the present invention are suitable for processing into woven fabrics and prepregs because of excellent adhesion, long-term stability when made into a prepreg and high-order processability. . Further, since the prepreg and carbon fiber reinforced composite material of the present invention are lightweight and have excellent strength and elastic modulus, they are used in many fields such as aircraft members, spacecraft members, automobile members, ship members, civil engineering and building materials, and sporting goods. Can be suitably used.

Claims (4)

下記(V)または/および(VI)を満たす工程を含む、下記(X)を満たすサイジング剤塗布炭素繊維の製造方法。
(V)水存在下20〜150℃で0.5〜20000時間熱処理した、下記エポキシ化合物(A)を主成分とするサイジング剤含有液を炭素繊維に塗布する工程
(VI)下記エポキシ化合物(A)を主成分とするサイジング剤含有液を炭素繊維に塗布し乾燥後に、さらに20〜150℃、湿度50〜90%の湿潤下で20〜20000時間熱処理する工程
サイジング剤塗布炭素繊維(X):炭素繊維に、分子内に水酸基とエポキシ基を有する下記エポキシ化合物(A)を主成分として含み、かつ窒素あるいはリン含有量で1.3質量%以下となる硬化剤を含むサイジング剤を塗布してなるものであって、N,N−ジメチルホルムアミド溶媒に浸漬し超音波処理することで溶出した前記サイジング剤の水酸基価(a)meq./gとエポキシ価(b)meq./gが、下記(I)から(III)を満たすとともに、前記溶出したサイジング剤の重量平均分子量が1000〜5000であり、かつX線光電子分光法によって測定される表面のハロゲン/炭素が0.005〜0.030である
(I)8≦(a)+(b)≦16
(II)(a)/(b)≧2
(III)(b)≧0.5
エポキシ化合物(A):分子内にハロゲンを含む脂肪族エポキシ化合物(A1)
A method for producing a sizing agent-coated carbon fiber satisfying the following (X), comprising a step of satisfying the following (V) or / and (VI).
(V) The process of apply | coating to carbon fiber the sizing agent containing liquid which heat-processed at 20-150 degreeC for 0.5 to 20000 hours in the presence of water and which has the following epoxy compound (A) as a main component.
(VI) A step of applying a sizing agent-containing liquid containing the following epoxy compound (A) as a main component to carbon fiber and drying, followed by heat treatment at 20 to 150 ° C. and a humidity of 50 to 90% for 20 to 20000 hours.
Sizing agent coated carbon fiber (X): carbon fiber, seen containing the following epoxy compound having a hydroxyl group and an epoxy group in the molecule (A) as the main component, and a 1.3 mass% or less in a nitrogen or phosphorus content A sizing agent containing a curing agent is applied, and the hydroxyl value (a) meq. Of the sizing agent eluted by immersing in an N, N-dimethylformamide solvent and sonicating. / G and epoxy value (b) meq. / G, together with satisfying the following (I) to (III), the weight average molecular weight of the eluted sizing agent is 1,000 to 5,000, and a halogen / carbon surface as measured by X-ray photoelectron spectroscopy 0 0.005 to 0.030 (I) 8 ≦ (a) + (b) ≦ 16
(II) (a) / (b) ≧ 2
(III) (b) ≧ 0.5
Epoxy compound (A): aliphatic epoxy compound containing halogen in the molecule (A1)
前記溶出したサイジング剤の水酸基価(a)meq./gが、下記(IV)を満たす、請求項1に記載のサイジング剤塗布炭素繊維の製造方法
(IV)(a)≧9
Hydroxyl value of the eluted sizing agent (a) meq. The method for producing sizing agent-coated carbon fiber according to claim 1, wherein / g satisfies the following (IV).
(IV) (a) ≧ 9
前記脂肪族エポキシ化合物(A1)がグリセロール、ジグリセロール、ポリグリセロール、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ソルビトール、およびアラビトールから選択される1種と、エピクロロヒドリンとの反応により得られるグリシジルエーテル型エポキシ化合物である、請求項1または2に記載のサイジング剤塗布炭素繊維の製造方法Glycidyl ether type epoxy obtained by reacting the aliphatic epoxy compound (A1) with one selected from glycerol, diglycerol, polyglycerol, trimethylolpropane, pentaerythritol, sorbitol, and arabitol, and epichlorohydrin The manufacturing method of the sizing agent application | coating carbon fiber of Claim 1 or 2 which is a compound. 前記(V)に示す熱処理をする前のエポキシ価(b1)と熱処理をした後のエポキシ価(b2)、および前記(VI)に示す熱処理をする前のエポキシ価(b3)と熱処理をした後のエポキシ価(b4)が、下記(VII)を満たす、請求項1〜3のいずれかに記載のサイジング剤塗布炭素繊維の製造方法。 After heat treatment with epoxy value (b2) before heat treatment shown in (V) and epoxy value (b2) after heat treatment and epoxy value (b3) before heat treatment shown in (VI) The manufacturing method of the carbon fiber for sizing agent application | coating in any one of Claims 1-3 with which epoxy value (b4) of following satisfy | fills following (VII).
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