JP6511987B2 - Carbon fiber sizing agent and carbon fiber - Google Patents
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Description
本発明は、炭素繊維の集束に使用可能な炭素繊維集束剤に関する。 The present invention relates to a carbon fiber sizing agent that can be used for carbon fiber focusing.
高強度で優れた耐久性の求められる自動車部材や航空機部材等としては、例えばエポキシ樹脂やビニルエステル樹脂等のマトリックス樹脂と、炭素繊維等を含む繊維強化プラスチックが使用されている。 As automobile members, aircraft members and the like which are required to have high strength and excellent durability, for example, fiber reinforced plastics containing a matrix resin such as epoxy resin and vinyl ester resin and carbon fibers are used.
前記繊維強化プラスチックに使用する炭素繊維としては、通常、高強度を付与する観点から、繊維集束剤によって数千〜数万程度に集束された繊維材料を使用することが多い。 As a carbon fiber used for the fiber reinforced plastic, usually from the viewpoint of imparting high strength, a fiber material which is gathered to several thousands to several tens of thousands by a fiber sizing agent is often used.
前記繊維集束剤としては、例えば、エポキシ樹脂と水溶性ウレタン樹脂とを含有するサイジング剤が知られている(例えば、特許文献1〜3参照)。しかし、これらの
サイジング剤では、エポキシ樹脂とカルボキシル基を有するウレタン樹脂との反応が生じ、集束性及び開繊性や成形物の機械的強度が低下する場合があった。
As the fiber sizing agent, for example, sizing agents containing an epoxy resin and a water-soluble urethane resin are known (see, for example, Patent Documents 1 to 3). However, in these sizing agents, a reaction between the epoxy resin and the urethane resin having a carboxyl group may occur, and the bundling ability, the openability, and the mechanical strength of the molded product may be reduced.
また、エポキシ樹脂がアルコキシポリオキシエチレン構造とエポキシ基とを有するウレタン樹脂によって水性媒体に分散された繊維集束剤が知られている(例えば、特許文献4参照。)。 Also, a fiber sizing agent is known in which an epoxy resin is dispersed in an aqueous medium by a urethane resin having an alkoxypolyoxyethylene structure and an epoxy group (see, for example, Patent Document 4).
しかし、この繊維集束剤を使用した炭素繊維強化プラスチック(CFRP)では、マトリックス樹脂として、熱硬化性樹脂を使用した場合には、機械的強度の向上が見られるが、熱可塑性樹脂を使用した場合には、集束性や機械的強度が不十分となる場合があった。 However, in carbon fiber reinforced plastic (CFRP) using this fiber sizing agent, when thermosetting resin is used as the matrix resin, mechanical strength is improved, but when thermoplastic resin is used. In some cases, the focusing ability and mechanical strength may be insufficient.
本発明が解決しようとする課題は、マトリックス樹脂として熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂のいずれの樹脂を用いた場合にも、成形品に優れた強度を付与可能な繊維束の製造に使用可能であり、炭素繊維の集束性及び耐擦過性に優れた炭素繊維集束剤を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is that it can be used for the production of a fiber bundle capable of imparting excellent strength to a molded product when using either a thermoplastic resin or a thermosetting resin as a matrix resin. It is an object of the present invention to provide a carbon fiber sizing agent which is excellent in carbon fiber bundling ability and scratch resistance.
本発明者等は、前記課題を解決すべく検討した結果、アルコキシポリオキシアルキレン構造を有するウレタン変性エポキシ樹脂、カルボキシル基の濃度が0.05mmol/g以下であるスルホン酸塩基を有するウレタン樹脂、及び水性媒体を含有する炭素繊維集束剤を使用することによって、前記課題を解決できることを見出し、本発明を完成した。 As a result of investigations to solve the above problems, the present inventors have studied urethane-modified epoxy resin having an alkoxypolyoxyalkylene structure, urethane resin having a sulfonate group having a carboxyl group concentration of 0.05 mmol / g or less, and By using a carbon fiber sizing agent containing an aqueous medium, it has been found that the above problems can be solved, and the present invention has been completed.
すなわち、本発明は、アルコキシポリオキシアルキレン構造を有するウレタン変性エポキシ樹脂(A)、スルホン酸塩基を有するウレタン樹脂(B)、及び水性媒体を含有する炭素繊維集束剤であって、前記ウレタン樹脂(B)中のカルボキシル基の濃度が0.05mmol/g以下であることを特徴とする炭素繊維集束剤ことを特徴とする炭素繊維集束剤に関するものである。 That is, the present invention is a carbon fiber sizing agent containing a urethane-modified epoxy resin (A) having an alkoxy polyoxyalkylene structure, a urethane resin (B) having a sulfonate group, and an aqueous medium, The present invention relates to a carbon fiber sizing agent characterized in that the concentration of carboxyl groups in B) is 0.05 mmol / g or less.
本発明の炭素繊維集束剤は、エポキシ基の保存安定性が良好であり、炭素繊維の集束性に優れ、成形品に優れた強度を付与可能な繊維束の製造に使用可能であることから、炭素繊維の集束剤(サイジング剤)に好適に使用することができる。 The carbon fiber sizing agent of the present invention has good storage stability of epoxy groups, is excellent in carbon fiber focusing property, and can be used for producing a fiber bundle capable of imparting excellent strength to a molded article, It can be suitably used as a carbon fiber sizing agent (sizing agent).
本発明の炭素繊維集束剤は、アルコキシポリオキシアルキレン構造を有するウレタン変性エポキシ樹脂(A)、スルホン酸塩基を有するウレタン樹脂(B)、及び水性媒体を含有する炭素繊維集束剤であって、前記ウレタン樹脂(B)中のカルボキシル基の濃度が0.05mmol/g以下であるものである。 The carbon fiber sizing agent of the present invention is a carbon fiber sizing agent containing a urethane-modified epoxy resin (A) having an alkoxypolyoxyalkylene structure, a urethane resin (B) having a sulfonate group, and an aqueous medium, The concentration of the carboxyl group in the urethane resin (B) is 0.05 mmol / g or less.
前記アルコキシポリオキシアルキレン構造を有するウレタン変性エポキシ樹脂(A)について説明する。前記ウレタン変性エポキシ樹脂(A)は、アルコキシポリオキシアルキレン構造を有するが、アルコキシポリオキシアルキレン構造とは、ポリオキシアルキレン鎖の片末端がアルコキシ基で封鎖された構造である。 The urethane modified epoxy resin (A) which has the said alkoxy polyoxyalkylene structure is demonstrated. The urethane-modified epoxy resin (A) has an alkoxypolyoxyalkylene structure, but the alkoxypolyoxyalkylene structure is a structure in which one end of a polyoxyalkylene chain is blocked by an alkoxy group.
前記ポリオキシアルキレン鎖としては、例えば、ポリオキシエチレン鎖、ポリオキシプロピレン鎖、ポリオキシブチレン鎖等が挙げられ、これらがブロック状又はランダム状に配置されたものも含まれる。 Examples of the polyoxyalkylene chain include, for example, a polyoxyethylene chain, a polyoxypropylene chain, a polyoxybutylene chain and the like, and also include those in which these are arranged in block or random form.
前記ポリオキシアルキレン鎖の末端を封鎖するアルコキシ基としては、例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基等が挙げられる。 As an alkoxy group which blocks the end of the polyoxyalkylene chain, for example, a methoxy group, an ethoxy group, a propoxy group, a butoxy group and the like can be mentioned.
前記アルコキシポリオキシアルキレン構造は、水分散性がより向上することから、その構造中に、オキシエチレン単位による構造を40質量%以上有するものであることが好ましい。 It is preferable that the alkoxy polyoxyalkylene structure has 40 mass% or more of a structure of an oxyethylene unit in the structure, since water dispersibility is further improved.
また、前記アルコキシポリオキシアルキレン構造は、水分散性がより向上することから、300〜7,000の数平均分子量を有するものであることが好ましい In addition, the alkoxy polyoxyalkylene structure preferably has a number average molecular weight of 300 to 7,000 because water dispersibility is further improved.
前記アルコキシポリオキシアルキレン構造は、水分散性がより向上することから、前記エポキシ樹脂(A)中に、3〜60質量%の範囲で存在することが好ましく、10〜55質量%の範囲で存在することがより好ましい。 The alkoxypolyoxyalkylene structure is preferably present in the range of 3 to 60% by mass, and preferably in the range of 10 to 55% by mass, in the epoxy resin (A), since the water dispersibility is further improved. It is more preferable to do.
前記ウレタン変性エポキシ樹脂(A)は、例えば、無溶剤下または有機溶剤の存在下で、エポキシ基と水酸基とを有する化合物(a1)、ポリイソシアネート(a2)、ポリオキシアルキレンモノアルキルエーテル(a3)、必要に応じて、前記化合物(a1)以外のポリオール(a4)及び鎖伸長剤(a5)を、従来知られた方法で反応させることによって製造することができる。具体的には、安全性を考慮し、50〜120℃の反応温度で、1〜15時間反応させることが好ましい。 The urethane-modified epoxy resin (A) is, for example, a compound (a1) having an epoxy group and a hydroxyl group in the absence of a solvent or in the presence of an organic solvent, polyisocyanate (a2), polyoxyalkylene monoalkyl ether (a3) If necessary, a polyol (a4) other than the compound (a1) and a chain extender (a5) can be produced by reacting them by a conventionally known method. Specifically, in consideration of safety, it is preferable to react at a reaction temperature of 50 to 120 ° C. for 1 to 15 hours.
前記エポキシ基と水酸基とを有する化合物(a1)としては、例えば、水酸基を有するビスフェノールA型エポキシ樹脂や、ビスフェノールA、ビスフェノールF等のビスフェノール型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、エチルフェノールノボラック型エポキシ樹脂、ブチルフェノールノボラック型エポキシ樹脂、オクチルフェノールノボラック型エポキシ樹脂、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂等のクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、レゾルシンノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノールAノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノールFノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノールADノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノールSノボラック型エポキシ樹脂等の有するエポキシ基の一部が、カルボン酸等と反応することによって開環し、水酸基を形成したものを使用することができる。 Examples of the compound (a1) having an epoxy group and a hydroxyl group include a bisphenol A epoxy resin having a hydroxyl group, a bisphenol epoxy resin such as bisphenol A and bisphenol F, a phenol novolac epoxy resin, and an ethylphenol novolac epoxy Cresol novolac epoxy resin such as resin, butylphenol novolac epoxy resin, octylphenol novolac epoxy resin, ortho cresol novolac epoxy resin, resorcinol novolac epoxy resin, bisphenol A novolac epoxy resin, bisphenol F novolac epoxy resin, bisphenol AD Some of the epoxy groups possessed by novolac epoxy resin, bisphenol S novolac epoxy resin, etc. Ring opening by reacting with an equal, can be used after forming a hydroxyl group.
前記化合物(a1)としては、得られる成形品の機械的強度がより向上することから、水酸基を有するフェノールノボラック型エポキシ樹脂、水酸基を有するクレゾールノボラック型エポキシ樹脂または水酸基を有するビスフェノールA型エポキシ樹脂を使用することが好ましい。 As the compound (a1), since the mechanical strength of the resulting molded article is further improved, a phenol novolac epoxy resin having a hydroxyl group, a cresol novolac epoxy resin having a hydroxyl group, or a bisphenol A epoxy resin having a hydroxyl group It is preferred to use.
前記化合物(a1)としては、エポキシ当量が100〜2,000g/当量であるものを使用することが好ましく、100〜500g/当量であるものを使用することがより好ましい。 As said compound (a1), it is preferable to use what is an epoxy equivalent of 100-2,000 g / equivalent, and it is more preferable to use what is 100-500 g / equivalent.
前記化合物(a1)の有する水酸基は、繊維の集束性、得られる成形品の機械的強度をより向上できることから、前記ウレタン変性エポキシ樹脂(A)が有するエポキシ基の全量に対して、5〜150モル%の範囲であることが好ましく、5〜130モル%の範囲であることがより好ましく、5〜120モル%の範囲であることが、さらに好ましい。 The hydroxyl group possessed by the compound (a1) can improve the fiber bundling property and the mechanical strength of the resulting molded article, so that it is 5-150 relative to the total amount of epoxy groups possessed by the urethane-modified epoxy resin (A). It is preferably in the range of mol%, more preferably in the range of 5 to 130 mol%, and still more preferably in the range of 5 to 120 mol%.
前記エポキシ樹脂の有するエポキシ基の一部とカルボン酸との反応は、反応容器内で前記エポキシ樹脂と前記カルボン酸とを混合し、40〜90℃で、5〜15時間撹拌することで行うことができる。 The reaction between a part of the epoxy group of the epoxy resin and the carboxylic acid is carried out by mixing the epoxy resin and the carboxylic acid in a reaction vessel and stirring at 40 to 90 ° C. for 5 to 15 hours. Can.
前記ポリイソシアネート(a2)としては、例えば、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート、2,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート、カルボジイミド変性ジフェニルメタンジイソシアネート、クルードジフェニルメタンジイソシアネート、フェニレンジイソシアネート、トリレンジイソシアネート、ナフタレンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート、テトラメチルキシリレンジイソシアネート等の芳香族ポリイソシアネートや、ヘキサメチレンジイソシアネート、リジンジイソシアネート、シクロヘキサンジイソシアネート等の脂肪族ポリイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート等の脂肪族環式構造を有するポリイソシアネート、それらのヌレート体や、トリメチロールプロパン等とのアダクト体などを使用することができる。これらの中でも、ジイソシアネートを使用することが好ましい。 Examples of the polyisocyanate (a2) include 4,4'-diphenylmethane diisocyanate, 2,4'-diphenylmethane diisocyanate, carbodiimide-modified diphenylmethane diisocyanate, crude diphenylmethane diisocyanate, phenylene diisocyanate, tolylene diisocyanate, naphthalene diisocyanate, xylylene diisocyanate, Aromatic polyisocyanates such as tetramethyl xylylene diisocyanate, aliphatic polyisocyanates such as hexamethylene diisocyanate, lysine diisocyanate and cyclohexane diisocyanate, polyisocyanates having an aliphatic cyclic structure such as isophorone diisocyanate and dicyclohexylmethane diisocyanate, and their nulates Body or trim And the like can be used adduct of trimethylolpropane and the like. Among these, it is preferable to use diisocyanate.
前記ポリオキシアルキレンモノアルキルエーテル(a3)は、下記一般式(1)で示されるものである。 The polyoxyalkylene monoalkyl ether (a3) is represented by the following general formula (1).
前記ポリオキシアルキレンモノアルキルエーテル(a3)としては、保存安定性がより向上することから、上記一般式(1)中のR1がメチル基やエチル基やプロピル基やブチル基であるものが好ましく、メチル基であるものがより好ましい。 The polyoxyalkylene monoalkyl ether (a3) is preferably one in which R 1 in the general formula (1) is a methyl group, an ethyl group, a propyl group or a butyl group because the storage stability is further improved. And methyl groups are more preferable.
また、上記一般式(1)中のR2は保存安定性及び繊維集束性がより向上することから、エチレン基やプロピレン基が好ましく、エチレン基がより好ましい。 Further, R 2 in the general formula (1) is preferably an ethylene group or a propylene group, and more preferably an ethylene group, because the storage stability and the fiber bundling property are further improved.
上記一般式(1)中のnは、保存安定性、繊維集束性、得られる成形品の強度がより向上することから、5〜150の整数が好ましく、5〜100の整数がより好ましい。 In the above general formula (1), n is preferably an integer of 5 to 150, and more preferably an integer of 5 to 100, because storage stability, fiber convergence, and the strength of the resulting molded article are further improved.
また、前記ポリオキシアルキレンモノアルキルエーテル(a3)としては、保存安定性がより向上することから、水酸基価が10〜200の範囲のものが好ましく、15〜200の範囲のものがより好ましい。 Further, as the polyoxyalkylene monoalkyl ether (a3), those having a hydroxyl value in the range of 10 to 200 are preferable, and those having the range of 15 to 200 are more preferable, because the storage stability is further improved.
前記ポリオキシアルキレンモノアルキルエーテル(a3)としては、保存安定性及び繊維集束性がより向上することから、ポリオキシエチレンモノアルキルエーテルを使用することがより好ましく、ポリオキシエチレンモノメチルエーテルを使用することが特に好ましい。 As the polyoxyalkylene monoalkyl ether (a3), it is more preferable to use polyoxyethylene monoalkyl ether because storage stability and fiber bundling properties are further improved, and polyoxyethylene monomethyl ether is used. Is particularly preferred.
前記ポリオール(a4)としては、例えば、ポリエーテルポリオール、ポリカーボネートポリオール、ポリエステルポリオール、エチレングリコール、1,2−プロパンジオール、1,3−ブタンジオール、1,4−ブタンジオール、3−メチル−1,5−ペンタンジオール、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、ネオペンチルグリコール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、グリセリン、トリメチロールプロパン、アクリル共重合体に水酸基を導入したアクリルポリオール、分子内に水酸基を有するブタジエンの共重合体であるポリブタジエンポリオール、水添ポリブタジエンポリオール、エチレン−酢酸ビニル共重合体の部分鹸化物などを使用することができる。 Examples of the polyol (a4) include polyether polyols, polycarbonate polyols, polyester polyols, ethylene glycol, 1,2-propanediol, 1,3-butanediol, 1,4-butanediol, 3-methyl-1, 5-Pentanediol, 1,6-Hexanediol, 1,4-Cyclohexanedimethanol, neopentyl glycol, diethylene glycol, dipropylene glycol, glycerin, trimethylolpropane, acrylic polyol having acrylic group with hydroxyl group introduced, intramolecular And polybutadienepolyol which is a copolymer of butadiene having a hydroxyl group, hydrogenated polybutadienepolyol, and partially saponified ethylene-vinyl acetate copolymer.
前記ポリエーテルポリオールとしては、例えば、活性水素原子を2以上有する化合物の1種または2種以上を開始剤として、アルキレンオキサイドを付加重合させたものを使用することができる。 As said polyether polyol, what carried out addition polymerization of the alkylene oxide can be used, for example using 1 type, or 2 or more types of a compound which has an active hydrogen atom 2 or more as an initiator.
また、前記ポリカーボネートポリオールとしては、例えば、炭酸エステルとポリオールとを反応させて得られるものや、ホスゲンとビスフェノールA等とを反応させて得られるものを使用することができる。 Moreover, as said polycarbonate polyol, what is obtained by making a carbonic acid ester and a polyol react, for example, and a thing obtained by making a phosgene, bisphenol A, etc. react can be used.
また、前記ポリエステルポリオールとしては、例えば、低分子量のポリオールとポリカルボン酸とをエステル化反応して得られるポリエステルポリオールや、ε−カプロラクトンやγ−ブチロラクトン等の環状エステル化合物を開環重合反応して得られるポリエステルや、これらの共重合ポリエステルなどを使用することができる。 Further, as the polyester polyol, for example, a polyester polyol obtained by subjecting a low molecular weight polyol and a polycarboxylic acid to an esterification reaction, or a ring-opening polymerization reaction of a cyclic ester compound such as ε-caprolactone or γ-butyrolactone The resulting polyester, copolyesters of these, etc. can be used.
前記ポリエーテルポリオール、前記ポリカーボネートポリオール、前記脂肪族ポリエステルポリオールとしては、数平均分子量が300〜4,000のものを使用することが好ましく、500〜2,000のものを使用することがより好ましい。 As said polyether polyol, said polycarbonate polyol, and said aliphatic polyester polyol, it is preferable to use a thing of a number average molecular weight 300-4,000, and it is more preferable to use a thing of 500-2,000.
前記鎖伸長剤(a5)としては、ポリアミンや、その他活性水素原子を有する化合物等を使用することができる。 As the chain extender (a5), polyamines and other compounds having an active hydrogen atom can be used.
前記ポリアミンとしては、例えば、エチレンジアミン、1,2−プロパンジアミン、1,6−ヘキサメチレンジアミン、ピペラジン、2,5−ジメチルピペラジン、イソホロンジアミン、4,4’−ジシクロヘキシルメタンジアミン、3,3’−ジメチル−4,4’−ジシクロヘキシルメタンジアミン、1,4−シクロヘキサンジアミン等のジアミン類;N−ヒドロキシメチルアミノエチルアミン、N−ヒドロキシエチルアミノエチルアミン、N−ヒドロキシプロピルアミノプロピルアミン、N−エチルアミノエチルアミン、N−メチルアミノプロピルアミン;ジエチレントリアミン、ジプロピレントリアミン、トリエチレンテトラミン;ヒドラジン、N,N’−ジメチルヒドラジン、1,6−ヘキサメチレンビスヒドラジン;コハク酸ジヒドラジド、アジピン酸ジヒドラジド、グルタル酸ジヒドラジド、セバシン酸ジヒドラジド、イソフタル酸ジヒドラジド;β−セミカルバジドプロピオン酸ヒドラジド、3−セミカルバジドプロピルカルバジン酸エステル、セミカルバジド−3−セミカルバジドメチル−3,5,5−トリメチルシクロヘキサンを使用することができる。 Examples of the polyamine include ethylenediamine, 1,2-propanediamine, 1,6-hexamethylenediamine, piperazine, 2,5-dimethylpiperazine, isophorone diamine, 4,4'-dicyclohexylmethanediamine, 3,3'- Diamines such as dimethyl-4,4'-dicyclohexylmethanediamine and 1,4-cyclohexanediamine; N-hydroxymethylaminoethylamine, N-hydroxyethylaminoethylamine, N-hydroxypropylaminopropylamine, N-ethylaminoethylamine, N-methylaminopropylamine; diethylenetriamine, dipropylenetriamine, triethylenetetramine; hydrazine, N, N'-dimethylhydrazine, 1,6-hexamethylene bishydrazine; succinic acid Azide, adipic acid dihydrazide, glutaric acid dihydrazide, sebacic acid dihydrazide, isophthalic acid dihydrazide; β-semicarbazide propionic acid hydrazide, 3-semicarbazide propyl carbazate, semicarbazide 3-semicarbazide methyl 3,5,5-trimethylcyclohexane It can be used.
前記その他活性水素を有する化合物としては、例えば、トリエチレングリコール、1,3−プロパンジオール、サッカロース、メチレングリコール、ソルビトール等のグリコール化合物;ビスフェノールA、4,4’−ジヒドロキシジフェニル、4,4’−ジヒドロキシジフェニルエーテル、4,4’−ジヒドロキシジフェニルスルホン、水素添加ビスフェノールA、ハイドロキノン等のフェノール化合物、及び水等を使用することができる。 Examples of other compounds having active hydrogen include glycol compounds such as triethylene glycol, 1,3-propanediol, sucrose, methylene glycol and sorbitol; bisphenol A, 4,4′-dihydroxydiphenyl, 4,4′- Dihydroxy diphenyl ether, 4,4'-dihydroxy diphenyl sulfone, hydrogenated bisphenol A, phenolic compounds such as hydroquinone, water and the like can be used.
前記鎖伸長剤(a5)は、例えば、ポリアミンが有するアミノ基と過剰のイソシアネート基との当量比が、1.9以下(当量比)となる範囲で使用することが好ましく、0.3〜1.0(当量比)の範囲で使用することがより好ましい。 The chain extender (a5) is preferably used, for example, in a range such that the equivalent ratio of the amino group of the polyamine to the excess isocyanate group is 1.9 or less (equivalent ratio), and 0.3 to 1 It is more preferable to use in the range of .0 (equivalent ratio).
前記ウレタン化反応は、無触媒下で行うこともできるが、公知の触媒、例えば、オクチル酸第一錫、ジブチル錫ジラウレート、ジブチル錫ジマレート、ジブチル錫ジフタレート、ジブチル錫ジメトキシド、ジブチル錫ジアセチルアセテート、ジブチル錫ジバーサテート等の錫化合物、テトラブチルチタネート、テトライソプロピルチタネート、トリエタノールアミンチタネート等のチタネート化合物、その他、3級アミン化合物、4級アンモニウム塩等を使用してもよい。 The urethanation reaction can be carried out without a catalyst, but known catalysts such as stannous octoate, dibutyltin dilaurate, dibutyltin dimaleate, dibutyltin diphthalate, dibutyltin dimethoxide, dibutyltin diacetyl acetate, dibutyl A tin compound such as tin diversatate, a titanate compound such as tetrabutyl titanate, tetraisopropyl titanate, triethanolamine titanate, or the like, or a tertiary amine compound, a quaternary ammonium salt, or the like may be used.
前記ウレタン変性エポキシ樹脂(A)の有するエポキシ基は、前記ウレタン変性エポキシ樹脂(A)のエポキシ当量が250〜2,000g/当量となる範囲で存在することが、集束性が向上し、かつ、より高強度の成形品が得られることから好ましい。 The convergence is improved that the epoxy group contained in the urethane-modified epoxy resin (A) is present in the range where the epoxy equivalent of the urethane-modified epoxy resin (A) is 250 to 2,000 g / equivalent. It is preferable because molded articles of higher strength can be obtained.
前記スルホン酸塩基を有するウレタン樹脂(B)について説明する。前記ウレタン樹脂(B)は、スルホン酸塩基を有するが、水分散時の安定性がより向上することから、前記ウレタン樹脂(B)中のスルホン酸塩基の濃度は、0.02〜1mmol/gの範囲が好ましく、0.05〜0.7mmol/gの範囲がより好ましい。 The urethane resin (B) having the sulfonate group is described. Although the said urethane resin (B) has a sulfonate group, since the stability at the time of water dispersion is improved more, the density | concentration of the sulfonate group in the said urethane resin (B) is 0.02-1 mmol / g Is preferable, and the range of 0.05 to 0.7 mmol / g is more preferable.
また、前記ウレタン樹脂(B)中のカルボキシル基の濃度は0.05mmol/g以下であるが、エポキシ基の保存安定性がより向上することから、0.02mmol/g以下であることが好ましく、0.01mmol/g以下であることがより好ましい。 Moreover, although the concentration of the carboxyl group in the urethane resin (B) is 0.05 mmol / g or less, it is preferably 0.02 mmol / g or less because the storage stability of the epoxy group is further improved. It is more preferable that it is 0.01 mmol / g or less.
前記ウレタン樹脂(B)としては、得られる成形品の機械的強度や保存安定性がより向上することから、重量平均分子量が8,000〜300,000の範囲であるものが好ましく、10,000〜200,000の範囲であるものがより好ましい。 As the urethane resin (B), those having a weight average molecular weight in the range of 8,000 to 300,000 are preferable because mechanical strength and storage stability of the resulting molded article are further improved, and 10,000 More preferably, it is in the range of-200,000.
前記ウレタン樹脂(B)としては、得られる成形品の機械的強度がより向上することから、ガラス転移温度が、−80〜60℃の範囲のものが好ましく、−80〜10℃の範囲のものがより好ましい。 The urethane resin (B) preferably has a glass transition temperature in the range of -80 to 60 ° C, and in the range of -80 to 10 ° C, since the mechanical strength of the resulting molded article is further improved. Is more preferred.
前記ウレタン樹脂(B)は、スルホン酸塩基を有するものであればよいが、例えば、無溶剤下または有機溶剤の存在下で、スルホン酸塩基を有するポリオール(b1)と、ポリイソシアネート(b2)と、必要に応じて、鎖伸長剤(b3)と、前記ポリオール(b1)以外のポリオール(b4)とを、従来知られた方法で反応させることによって製造することができる。具体的には、安全性を考慮し、50〜120℃の反応温度で、1〜15時間反応させることが好ましい。 The urethane resin (B) may be one having a sulfonate group, and for example, a polyol (b1) having a sulfonate group and a polyisocyanate (b2) in the absence of a solvent or in the presence of an organic solvent If necessary, it can be produced by reacting a chain extender (b3) with a polyol (b4) other than the polyol (b1) by a conventionally known method. Specifically, in consideration of safety, it is preferable to react at a reaction temperature of 50 to 120 ° C. for 1 to 15 hours.
前記スルホン酸塩基を有するポリオール(b1)としては、例えば、ウレタン変性エポキシ樹脂(A)の製造に使用可能なポリオール(a4)として記載したポリオールにスルホン酸塩基を導入したものを使用することができるが、これらの中でも、前記ウレタン樹脂(B)の耐熱分解性が良好になることから、スルホン酸塩基を有するポリエステルポリオール(b1−1)が好ましい。 As the polyol (b1) having a sulfonate group, for example, a polyol in which a sulfonate group is introduced to a polyol described as a polyol (a4) usable for producing a urethane-modified epoxy resin (A) can be used. However, among these, the polyester polyol (b1-1) having a sulfonate group is preferable because the heat decomposition resistance of the urethane resin (B) is improved.
前記ポリエステルポリオール(b1−1)の有するスルホン酸塩基は、原料として、例えば、スルホン酸塩基を有するポリオール、スルホン酸塩基を有するポリカルボン酸及びそのエステル化物等のスルホン酸塩基を有する化合物を使用することによって、前記ポリエステルポリオール(b1−1)中に導入することができる。 The sulfonic acid group of the polyester polyol (b1-1) is, for example, a polyol having a sulfonic acid group, a polycarboxylic acid having a sulfonic acid group, and a compound having a sulfonic acid group such as an ester thereof. Can be introduced into the polyester polyol (b1-1).
前記ポリエステルポリオール(b1−1)の原料として使用されるスルホン酸塩基を有するポリオールとしては、例えば、2−ブテン−1,4−ジオール等の不飽和基を有するポリオールをスルホン化することによって得られるものを使用することができる。 The polyol having a sulfonate group used as a raw material of the polyester polyol (b1-1) can be obtained, for example, by sulfonation of a polyol having an unsaturated group such as 2-butene-1,4-diol. Can be used.
前記ポリエステルポリオール(b1−1)の原料として使用されるその他のポリオールとしては、例えば、エチレングリコール、1,2−プロパンジオール、1,3−プロパンジオール、1,4−ブタンジオール、2−メチル−1,3−プロパンジオール、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、3−メチル−1,5−ペンタンジオール、1,9−ノナンジオール、2−エチル−2−ブチルプロパンジオール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジプロピレングリコール等の脂肪族ジオール;1,4−シクロヘキサンジメタノール等の脂肪族環式構造を有するジオール;グリセリン、トリメチロールエタン、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール等の水酸基を3以上有するポリオールなどを使用することができる。これらのポリオールは、単独で用いることも2種以上併用することもできる。 Examples of other polyols used as a raw material of the polyester polyol (b1-1) include ethylene glycol, 1,2-propanediol, 1,3-propanediol, 1,4-butanediol, 2-methyl- 1,3-propanediol, 1,5-pentanediol, neopentyl glycol, 1,6-hexanediol, 3-methyl-1,5-pentanediol, 1,9-nonanediol, 2-ethyl-2-butyl Aliphatic diols such as propanediol, diethylene glycol, triethylene glycol and dipropylene glycol; diols having an aliphatic cyclic structure such as 1,4-cyclohexanedimethanol; and glycerin, trimethylolethane, trimethylolpropane, pentaerythritol and the like Has 3 or more hydroxyl groups It is possible to use polyols, and the like. These polyols can be used alone or in combination of two or more.
前記ポリエステルポリオール(b1−1)の原料として使用されるスルホン酸塩基を有するポリカルボン酸及びそのエステル化物としては、例えば、4−スルホイソフタル酸、5−スルホイソフタル酸、スルホテレフタル酸、4−スルホナフタレン−2,7−ジカルボン酸、及びこれらのエステル化物等の金属塩などが挙げられる。これらの中でも、ポリエステルポリオール(b1−1)を製造する際の反応効率が向上することから、5−ナトリウムスルホイソフタル酸のエステル化物を使用することが好ましく、5−ナトリウムスルホイソフタル酸ジメチルを使用することがより好ましい。 Examples of polycarboxylic acid having a sulfonate group used as a raw material of the polyester polyol (b1-1) and esterified products thereof include 4-sulfoisophthalic acid, 5-sulfoisophthalic acid, sulfoterephthalic acid, and 4-sulfo. Naphthalene-2,7-dicarboxylic acid and metal salts such as esterified products thereof can be mentioned. Among these, it is preferable to use an esterified product of 5-sodium sulfoisophthalic acid, since dimethylpolysulfone is used, because the reaction efficiency in producing the polyester polyol (b1-1) is improved. Is more preferred.
前記ポリエステルポリオール(b1−1)の原料として使用されるその他のポリカルボン酸としては、例えば、テレフタル酸、イソフタル酸、オルソフタル酸、ナフタレンジカルボン酸、ビフェニルジカルボン酸等の芳香族ジカルボン酸;シュウ酸、コハク酸、無水コハク酸、アジピン酸、アゼライン酸、セバシン酸、ドデカン二酸、水添ダイマー酸、フマル酸、マレイン酸、無水マレイン酸、イタコン酸、無水イタコン酸、シトラコン酸、無水シトラコン酸、ダイマー酸等の飽和又は不飽和の脂肪族ジカルボン酸;1,4−シクロヘキサンジカルボン酸、1,3−シクロヘキサンジカルボン酸、1,2−シクロヘキサンジカルボン酸、2,5−ノルボルネンジカルボン酸及びその無水物、テトラヒドロフタル酸及びその無水物等の脂肪族環式構造を有するジカルボン酸などを使用することができる。これらの中でも、耐熱性がより向上することから、芳香族ジカルボン酸(無水物)を使用することが好ましく、テレフタル酸又はイソフタル酸を使用することがより好ましい。 Examples of other polycarboxylic acids used as a raw material of the polyester polyol (b1-1) include aromatic dicarboxylic acids such as terephthalic acid, isophthalic acid, orthophthalic acid, naphthalenedicarboxylic acid and biphenyldicarboxylic acid; oxalic acid Succinic acid, succinic anhydride, adipic acid, azelaic acid, sebacic acid, dodecanedioic acid, hydrogenated dimer acid, fumaric acid, maleic acid, maleic anhydride, itaconic acid, itaconic acid, citraconic acid, citraconic acid, dimer Saturated or unsaturated aliphatic dicarboxylic acids such as acids; 1,4-cyclohexanedicarboxylic acid, 1,3-cyclohexanedicarboxylic acid, 1,2-cyclohexanedicarboxylic acid, 2,5-norbornene dicarboxylic acid and its anhydride, tetrahydrofuran Aliphatic rings such as phthalic acid and its anhydrides And the like can be used dicarboxylic acids having the structure. Among these, it is preferable to use an aromatic dicarboxylic acid (anhydride) from the viewpoint of further improving heat resistance, and it is more preferable to use terephthalic acid or isophthalic acid.
また、前記ポリカルボン酸としては、前記したものの他に、トリメリット酸、ピロメリット酸、ベンゾフェノンテトラカルボン酸、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸、無水ベンゾフェノンテトラカルボン酸、トリメシン酸、エチレングリコールビス(アンヒドロトリメリテート)、グリセロールトリス(アンヒドロトリメリテート)、1,2,3,4−ブタンテトラカルボン酸等の3以上のカルボキシル基を有するポリカルボン酸を使用することもできる。これらのポリカルボン酸は、単独で用いることも2種以上併用することもできる。 Moreover, as the polycarboxylic acid, in addition to those described above, trimellitic acid, pyromellitic acid, benzophenonetetracarboxylic acid, trimellitic anhydride, pyromellitic anhydride, benzophenonetetracarboxylic acid anhydride, trimesic acid, ethylene glycol bis It is also possible to use polycarboxylic acids having three or more carboxyl groups such as (anhydrotrimellitate), glycerol tris (anhydrotrimellitate), 1,2,3,4-butanetetracarboxylic acid and the like. These polycarboxylic acids can be used alone or in combination of two or more.
また、前記ポリエステルポリオール(b1−1)の原料としては、ε−カプロラクトンやγ−ブチロラクトン等の環状エステル化合物を使用することもできる。これらの環状エステル化合物は、単独で用いることも2種以上併用することもできる。これらの中でも、集束性やマトリックス樹脂に対する接着性がより向上することから、ε−カプロラクトンを使用することが好ましい。 Moreover, as a raw material of said polyester polyol (b1-1), cyclic ester compounds, such as (epsilon) -caprolactone and (gamma) -butyrolactone, can also be used. These cyclic ester compounds can be used alone or in combination of two or more. Among these, it is preferable to use ε-caprolactone because the bundling ability and the adhesion to the matrix resin are further improved.
前記ポリエステルポリオール(b1−1)は、無溶剤下または有機溶剤下で、前記ポリオールと前記ポリカルボン酸とを、従来知られる方法でエステル化反応させることによって製造することができる。また、必要に応じて、環状エステル化合物が開環した化合物をエステル化反応させることができる。 The polyester polyol (b1-1) can be produced by an esterification reaction of the polyol and the polycarboxylic acid in the absence of a solvent or in the presence of an organic solvent by a conventionally known method. In addition, if necessary, a compound in which a cyclic ester compound is ring-opened can be subjected to an esterification reaction.
前記エステル化反応は、具体的には、不活性ガス雰囲気中で触媒の存在下または不存在下に、前記ポリオールと前記ポリカルボン酸とを180〜300℃に加熱してエステル化あるいはエステル交換反応させ、重縮合させる方法で行うことができる。 Specifically, the esterification reaction is carried out by heating the polyol and the polycarboxylic acid to 180 to 300 ° C. in the presence or absence of a catalyst in an inert gas atmosphere to carry out esterification or transesterification It can be carried out by a method of polycondensation.
また、前記ポリエステルポリオール(b1−1)を製造する際に使用するスルホン酸塩基を有する化合物は、保存安定性がより向上することから、前記ポリオール及び前記ポリカルボン酸の合計の3〜30質量%の範囲で使用することが好ましい。 In addition, the compound having a sulfonate group used when producing the polyester polyol (b1-1) is 3 to 30% by mass of the total of the polyol and the polycarboxylic acid because the storage stability is further improved. It is preferable to use in the range of
前記ポリエステルポリオール(b1−1)としては、集束性及び機械的強度がより向上することから、ポリエステルポリオール(b1−1)の水酸基価は50〜500の範囲が好ましい。 As for the polyester polyol (b1-1), the hydroxyl value of the polyester polyol (b1-1) is preferably in the range of 50 to 500, since the bundling ability and the mechanical strength are further improved.
前記ポリイソシアネート(b2)としては、ウレタン変性エポキシ樹脂(A)の製造に使用可能なポリイソシアネート(a2)として記載したものを使用することができる。 As said polyisocyanate (b2), what was described as polyisocyanate (a2) which can be used for manufacture of a urethane modified epoxy resin (A) can be used.
前記鎖伸長剤(b3)としては、ウレタン変性エポキシ樹脂(A)の製造に使用可能な鎖伸長剤(a5)として記載したものを使用することができる。 As said chain extender (b3), what was described as a chain extender (a5) which can be used for manufacture of urethane modified epoxy resin (A) can be used.
前記ポリオール(b4)としては、ウレタン変性エポキシ樹脂(A)の製造に使用可能なポリオール(a4)として記載したポリオールを使用することができる。 As said polyol (b4), the polyol described as a polyol (a4) which can be used for manufacture of a urethane modified epoxy resin (A) can be used.
また、前記ウレタン樹脂(B)の製造には、前記ウレタン変性エポキシ樹脂(A)の製造に使用可能な触媒として記載したものを使用することができる。 Moreover, what was described as a catalyst which can be used for manufacture of the said urethane modified epoxy resin (A) can be used for manufacture of the said urethane resin (B).
前記水性媒体としては、水、水と混和する有機溶剤、及び、これらの混合物が挙げられる。水と混和する有機溶剤としては、例えば、メタノール、エタノール、n−
及びイソプロパノール等のアルコール化合物;アセトン、メチルエチルケトン等のケトン化合物;エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール等のポリアルキレングリコール化合物;ポリアルキレングリコールのアルキルエーテル化合物;N-メチル-2-ピロリドン等のラクタム化合物、などが挙げられる。本発明では、水のみを用いても良く、また水及び水と混和する有機溶剤との混合物を用いても良く、水と混和する有機溶剤のみを用いても良い。安全性や環境に対する負荷の点から、水のみ、又は、水及び水と混和する有機溶剤との混合物が好ましく、水のみが特に好ましい。
Examples of the aqueous medium include water, water-miscible organic solvents, and mixtures thereof. Examples of the organic solvent miscible with water include methanol, ethanol, n-
And alcohol compounds such as isopropanol; ketone compounds such as acetone and methyl ethyl ketone; polyalkylene glycol compounds such as ethylene glycol, diethylene glycol and propylene glycol; alkyl ether compounds of polyalkylene glycols; lactam compounds such as N-methyl-2-pyrrolidone and the like Can be mentioned. In the present invention, only water may be used, or a mixture of water and an organic solvent miscible with water may be used, or only an organic solvent miscible with water may be used. From the viewpoint of safety and environmental load, water alone or a mixture of water and an organic solvent miscible with water is preferred, and water alone is particularly preferred.
本発明の炭素繊維集束剤の製造方法としては、例えば、前記ウレタン変性エポキシ樹脂(A)を水性媒体に溶解又は分散したものと、前記ウレタン樹脂(B)を水性媒体に溶解又は分散したものとを混合する方法や、前記ウレタン変性エポキシ樹脂(A)と前記ウレタン樹脂(B)とを混合後、得られた混合物と水性媒体とをさらに混合する方法が挙げられる。 The carbon fiber sizing agent of the present invention may be produced, for example, by dissolving or dispersing the urethane-modified epoxy resin (A) in an aqueous medium, and dissolving or dispersing the urethane resin (B) in an aqueous medium. And a method of mixing the obtained mixture and an aqueous medium after mixing the urethane-modified epoxy resin (A) and the urethane resin (B).
本発明の炭素繊維集束剤の固形分中の前記ウレタン変性エポキシ樹脂(A)の質量比率は、開繊性及び機械強度がより向上することから、20〜90質量%の範囲が好ましく、30〜80質量%の範囲がより好ましい。 The mass ratio of the urethane-modified epoxy resin (A) in the solid content of the carbon fiber sizing agent of the present invention is preferably in the range of 20 to 90 mass%, since the fiber openability and mechanical strength are further improved. The range of 80% by mass is more preferable.
本発明の炭素繊維集束剤の固形分中の前記ウレタン樹脂(B)質量比率は、集束性及び機械強度がより向上することから、10〜80質量%の範囲が好ましく、20〜70質量%の範囲がより好ましい。 The mass ratio of the urethane resin (B) in the solid content of the carbon fiber sizing agent of the present invention is preferably in the range of 10 to 80% by mass, and 20 to 70% by mass because the bundling ability and mechanical strength are further improved. The range is more preferred.
本発明の炭素繊維集束剤中の前記水性媒体の質量比率は、保存安定性及び塗工作業性がより向上することから、20〜98質量%の範囲が好ましく、30〜90質量%の範囲がより好ましい。 The mass ratio of the aqueous medium in the carbon fiber sizing agent of the present invention is preferably in the range of 20 to 98 mass%, more preferably in the range of 30 to 90 mass%, because storage stability and coating workability are further improved. More preferable.
本発明の炭素繊維集束剤中の固形分の質量比率は、保存安定性及び塗工作業性がより向上することから、2〜80質量%の範囲が好ましく、10〜70質量%の範囲がより好ましい。 The mass ratio of the solid content in the carbon fiber sizing agent of the present invention is preferably in the range of 2 to 80% by mass, and more preferably in the range of 10 to 70% by mass since storage stability and coating workability are further improved. preferable.
また、本発明の炭素繊維集束剤は、必要に応じてシランカップリング剤、硬化触媒、潤滑剤、充填剤、チキソ付与剤、粘着付与剤、ワックス、熱安定剤、耐光安定剤、蛍光増白剤、発泡剤等の添加剤、pH調整剤、レベリング剤、ゲル化防止剤、分散安定剤、酸化防止剤、ラジカル捕捉剤、耐熱性付与剤、無機充填剤、有機充填剤、可塑剤、補強剤、触媒、抗菌剤、防カビ剤、防錆剤、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、顔料、染料、導電性付与剤、帯電防止剤、透湿性向上剤、撥水剤、撥油剤、中空発泡体、結晶水含有化合物、難燃剤、吸水剤、吸湿剤、消臭剤、整泡剤、消泡剤、防黴剤、防腐剤、防藻剤、顔料分散剤、ブロッキング防止剤、加水分解防止剤を併用することができる。 In addition, the carbon fiber sizing agent of the present invention may be, if necessary, a silane coupling agent, a curing catalyst, a lubricant, a filler, a thixo agent, a tackifier, a wax, a heat stabilizer, a light stabilizer, a fluorescent whitening agent Agents, additives such as foaming agents, pH adjusters, leveling agents, antigelling agents, dispersion stabilizers, antioxidants, radical scavengers, heat resistance imparting agents, inorganic fillers, organic fillers, plasticizers, reinforcements Agents, catalysts, antibacterial agents, fungicides, rust inhibitors, thermoplastic resins, thermosetting resins, pigments, dyes, conductivity imparting agents, antistatic agents, moisture permeability improvers, water repellents, oil repellents, hollow Foam, crystal water containing compound, flame retardant, water absorbing agent, hygroscopic agent, deodorant, foam stabilizer, antifoam, antifungal agent, preservative, algaecide, pigment dispersant, antiblocking agent, hydrolysis An inhibitor can be used in combination.
また、本発明の炭素繊維集束剤は、例えば、酢ビ系、エチレン酢ビ系、アクリル系、エポキシ系、ウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系等のエマルジョン;スチレン−ブタジエン系、アクリロニトリル−ブタジエン系、アクリル−ブタジエン系等のラテックス、更には、ポリビニルアルコールやセルロース等の水溶性樹脂等と組み合わせ使用することもできる。 The carbon fiber sizing agent of the present invention is, for example, an emulsion of vinyl acetate type, ethylene vinyl acetate type, acrylic type, epoxy type, urethane type, polyester type, polyamide type, etc .; styrene-butadiene type, acrylonitrile-butadiene type, It can also be used in combination with an acrylic-butadiene based latex, or a water-soluble resin such as polyvinyl alcohol or cellulose.
本発明の炭素繊維集束剤としては、本発明の効果を損なわない範囲で乳化剤等を使用しても良い。前記乳化剤の使用量は、前記ウレタン変性エポキシ樹脂(A)及び前記ウレタン樹脂(B)の合計100質量部に対して10質量部以下が好ましい。 As the carbon fiber sizing agent of the present invention, an emulsifier or the like may be used as long as the effects of the present invention are not impaired. The amount of the emulsifier used is preferably 10 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass in total of the urethane-modified epoxy resin (A) and the urethane resin (B).
本発明の炭素繊維集束剤は、炭素繊維の糸切れや毛羽立ち等を防止することを目的として、繊維の集束や表面処理に使用できる。 The carbon fiber sizing agent of the present invention can be used for fiber focusing and surface treatment for the purpose of preventing carbon fiber breakage and fuzzing.
また、本発明の炭素繊維集束剤を用いて処理可能な炭素繊維としては、例えば、ポリアクリロニトリル系、ピッチ系等の炭素繊維が挙げられる。これらの中でも、成形品により優れた強度を付与できることから、ポリアクリロニトリル系の炭素繊維を使用することが好ましい。 Moreover, as a carbon fiber which can be processed using the carbon fiber sizing agent of this invention, carbon fibers, such as a polyacrylonitrile type and a pitch type, are mentioned, for example. Among these, it is preferable to use a polyacrylonitrile-based carbon fiber because the molded article can be given more excellent strength.
また、前記炭素繊維としては、より一層優れた強度を付与する観点から、0.5〜20μmの単糸径を有するものを使用することが好ましく、2〜15μmのものを使用することがより好ましい。 Moreover, as said carbon fiber, it is preferable to use the thing which has a single yarn diameter of 0.5-20 micrometers from a viewpoint of providing the further outstanding strength, and it is more preferable to use the thing of 2-15 micrometers. .
前記炭素繊維としては、例えば、撚糸、紡糸、紡績加工、不織加工したものを使用することができる。また、前記炭素繊維としてはフィラメント、ヤーン、ロービング、ストランド、チョップドストランド、フェルト、ニードルパンチ、クロス、ロービングクロス、ミルドファイバー等のものを使用することができる。 As the carbon fiber, for example, those obtained by twisting, spinning, spinning, non-woven processing can be used. Further, as the carbon fibers, filaments, yarns, rovings, strands, chopped strands, felts, needle punches, cloths, roving cloths, milled fibers, etc. can be used.
前記炭素繊維を、本発明の炭素繊維集束剤を用いて集束化し、炭素繊維束の表面に、皮膜を形成する方法としては、例えば、炭素繊維集束剤をキスコーター法、ローラー法、浸漬法、スプレー法、刷毛などその他公知の方法で、繊維表面に炭素繊維集束剤を均一に塗布する方法が挙げられる。炭素繊維集束剤が溶媒として水性媒体や有機溶剤を含む場合には、前記塗布後に加熱ローラーや熱風、熱板等を用いて、加熱乾燥することが好ましい。 As a method of focusing the carbon fibers with the carbon fiber sizing agent of the present invention and forming a film on the surface of a carbon fiber bundle, for example, a carbon fiber sizing agent is applied by a kiss coater method, roller method, dipping method, spray The carbon fiber bundling agent may be uniformly applied to the fiber surface by a method, brush, or other known method. When the carbon fiber sizing agent contains an aqueous medium or an organic solvent as a solvent, it is preferable to heat and dry after the application using a heating roller, a hot air, a hot plate or the like.
前記炭素繊維の表面に形成された皮膜の付着量は、集束化され表面処理の施された繊維束の全質量に対して0.1〜5質量%が好ましく、0.3〜1.5質量%がより好ましい。 The amount of the film formed on the surface of the carbon fiber is preferably 0.1 to 5% by mass, preferably 0.3 to 1.5% by mass, with respect to the total mass of the fiber bundle subjected to the focusing and surface treatment. % Is more preferable.
前記方法で得られた集束化され表面処理の施された炭素繊維は、後述するマトリックス樹脂(C)等と組み合わせ使用することによって、高強度な成形品を製造するための成形材料に使用することができる。 Using the carbon fiber which has been subjected to the focusing and surface treatment obtained by the above method, in combination with the matrix resin (C) described later, etc., as a molding material for producing a high-strength molded article Can.
特に、本発明の炭素繊維集束剤によって表面処理の施された炭素繊維は、マトリックス樹脂(C)と組み合わせ使用し成形品等を形成した際に、前記炭素繊維とマトリックス樹脂(C)との界面の密着性を著しく向上できるため、成形品の強度を向上することが可能である。 In particular, when the carbon fiber surface-treated with the carbon fiber sizing agent of the present invention is used in combination with the matrix resin (C) to form a molded article etc., the interface between the carbon fiber and the matrix resin (C) The adhesion of the molded article can be remarkably improved, so that the strength of the molded article can be improved.
前記マトリックス樹脂(C)としては、例えば、熱硬化性樹脂(C1)または熱可塑性樹脂(C2)を使用することができる。前記熱硬化性樹脂(C1)としてはフェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂等を使用することができる。前記熱可塑性樹脂(C2)としては、例えば、ポリエチレンテレフタレートやポリブチレンテレフタレート等の飽和ポリエステル樹脂、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンオキサイド、6−ナイロン、6,6−ナイロン等のポリアミド樹脂、アクリロニトリル−スチレン共重合体、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体、ポリアセタール、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン等を使用することができる。 As said matrix resin (C), a thermosetting resin (C1) or a thermoplastic resin (C2) can be used, for example. A phenol resin, a polyimide resin, a bismaleimide resin, an unsaturated polyester resin, an epoxy resin, a vinyl ester resin etc. can be used as said thermosetting resin (C1). The thermoplastic resin (C2) is, for example, a saturated polyester resin such as polyethylene terephthalate or polybutylene terephthalate, polypropylene, polystyrene, polycarbonate, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, polyamide resin such as 6-nylon or 6,6-nylon, Acrylonitrile-styrene copolymers, acrylonitrile-butadiene-styrene copolymers, polyacetals, polyetherimides, polyetheretherketones and the like can be used.
本発明の炭素繊維集束剤を用いて集束化等された繊維は、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、6−ナイロン、6,6−ナイロン等のポリアミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリエーテルエーテルケトンのマトリックス樹脂と組み合わせ使用することが、高強度な成形品を得る上でより好ましい。 Fibers collected by using the carbon fiber sizing agent of the present invention may be epoxy resin, unsaturated polyester resin, polyamide resin such as 6-nylon or 6,6-nylon, polyphenylene sulfide, polybutylene terephthalate, polycarbonate, poly It is more preferable to obtain a high-strength molded article by using it in combination with an ether ether ketone matrix resin.
前記表面処理の施された炭素繊維と前記マトリックス樹脂(C)と、必要に応じて重合性単量体等とを含む成形材料としては、例えば、プリプレグやシートモールディングコンパウンド(SMC)等が挙げられる。 Examples of the molding material containing the surface-treated carbon fiber, the matrix resin (C), and, if necessary, a polymerizable monomer and the like include a prepreg and a sheet molding compound (SMC). .
前記プリプレグは、例えば、前記マトリックス樹脂(C)を離型紙上に塗布し、その塗布面に表面処理の施された炭素繊維を載置し、必要に応じてローラー等を用いて押圧含浸することによって製造することができる。 In the prepreg, for example, the matrix resin (C) is applied onto a release paper, the surface-treated carbon fiber is placed on the coated surface, and pressure impregnation is performed using a roller or the like as necessary. It can be manufactured by
前記プリプレグを製造する際には、前記マトリックス樹脂(C)として、ビスフェノールA型エポキシ樹脂や、テトラグリシジルアミノジフェニルメタン等のグリシジルアミン型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂等のエポキシ樹脂を使用することが好ましい。 When producing the prepreg, it is preferable to use, as the matrix resin (C), an epoxy resin such as a bisphenol A epoxy resin, a glycidyl amine epoxy resin such as tetraglycidyl aminodiphenylmethane, or a novolac epoxy resin. .
また、前記シートモールディングコンパウンドは、例えば、前記マトリックス樹脂(C)と、スチレン等の重合性不飽和単量体との混合物を、前記表面処理の施された炭素繊維に十分含浸し、シート状に加工等することによって製造することができる。前記シートモールディングコンパウンドを製造する際には、前記マトリックス樹脂(C)として、不飽和ポリエステル樹脂や、ビニルエステル樹脂を使用することが好ましい。 In addition, the sheet molding compound sufficiently impregnates, for example, a mixture of the matrix resin (C) and a polymerizable unsaturated monomer such as styrene into the surface-treated carbon fiber to form a sheet. It can manufacture by processing etc. When manufacturing the said sheet molding compound, it is preferable to use unsaturated polyester resin and vinyl ester resin as said matrix resin (C).
前記成形材料の硬化は、例えば加圧または常圧下、加熱または光照射によってラジカル重合させることによって進行する。かかる場合には、公知の熱硬化剤や光硬化剤等を組み合わせ使用することができる。 Curing of the molding material proceeds by radical polymerization, for example, by heating or light irradiation under pressure or normal pressure. In such a case, known heat curing agents, light curing agents and the like can be used in combination.
また、前記成形材料としては、例えば、前記熱可塑性樹脂(C2)と前記表面処理の施された炭素繊維とを加熱下で混練等したものが挙げられる。かかる成形材料は、例えば射出成形法等による二次加工に使用することができる。 Further, as the molding material, for example, one obtained by kneading the thermoplastic resin (C2) and the carbon fiber subjected to the surface treatment under heating and the like can be mentioned. Such a molding material can be used for secondary processing by, for example, an injection molding method.
また、前記熱可塑性樹脂(C2)によるプリプレグは、例えば、表面処理の施された炭素繊維をシート状に載置し、溶融した前記熱可塑性樹脂(C2)を含浸することによって製造することができる。 Moreover, the prepreg by the said thermoplastic resin (C2) can be manufactured by, for example, mounting the carbon fiber in which the surface treatment was given in a sheet form, and impregnating the fuse | melted said thermoplastic resin (C2) .
前記熱可塑性樹脂(C2)によるプリプレグは、例えば、1枚以上積層し、次いで加圧または常圧下、加熱し成形すること等による二次加工に使用することができる。 The prepreg based on the thermoplastic resin (C2) can be used, for example, for secondary processing by laminating one or more sheets and then heating and molding under pressure or normal pressure.
前記成形材料を用いて得られた成形品は、高強度であることから、例えば、自動車部材、航空機部材、住宅部材、産業用部材等に使用することができる。 Molded articles obtained using the molding materials have high strength, and can be used, for example, as automobile members, aircraft members, housing members, industrial members, and the like.
以下、実施例により本発明をより具体的に説明する。なお、スルホン酸塩基の濃度及びカルボキシル基濃度は、原料の仕込み量から計算により求めたものである。また、酸価はJIS K 0070−1992に準拠し、水酸基価はJIS K 1557−1に準拠して測定したものである。 Hereinafter, the present invention will be more specifically described by way of examples. The concentration of the sulfonate group and the concentration of the carboxyl group are determined by calculation from the amounts of the raw materials charged. The acid value is measured in accordance with JIS K 0070-1992, and the hydroxyl value is measured in accordance with JIS K 1557-1.
ガラス転移温度は、示差走査熱量計「DSC Q−100」(TA Instrument社製)を用い、JIS K7121に準拠した方法で測定した。真空吸引して完全に溶剤を除去したサンプルを、20℃/分の昇温速度で−100℃〜+200℃の範囲で熱量変化を測定し、各ベースラインの延長した直線から縦軸方向に等距離にある直線と、ガラス転移の階段状変化部分の曲線とが交わる点をガラス転移温度とした。 The glass transition temperature was measured by a method according to JIS K 7121 using a differential scanning calorimeter “DSC Q-100” (manufactured by TA Instrument). The sample of which the solvent was completely removed by vacuum suction was measured for the change in heat quantity in the range of -100 ° C to + 200 ° C at a temperature rise rate of 20 ° C / min. A point at which a straight line at a distance intersects with a curve of a step change portion of the glass transition is taken as a glass transition temperature.
重量平均分子量(Mw)は、下記の測定条件で測定した。
[GPC測定条件]
測定装置:高速GPC装置(東ソー株式会社製「HLC−8220GPC」)
カラム:東ソー株式会社製の下記のカラムを直列に接続して使用した。
「TSKgel G5000」(7.8mmI.D.×30cm)×1本
「TSKgel G4000」(7.8mmI.D.×30cm)×1本
「TSKgel G3000」(7.8mmI.D.×30cm)×1本
「TSKgel G2000」(7.8mmI.D.×30cm)×1本
検出器:RI(示差屈折計)
カラム温度:40℃
溶離液:テトラヒドロフラン(THF)
流速:1.0mL/分
注入量:100μL(試料濃度4mg/mLのテトラヒドロフラン溶液)
標準試料:下記の単分散ポリスチレンを用いて検量線を作成した。
The weight average molecular weight (Mw) was measured under the following measurement conditions.
[GPC measurement conditions]
Measuring device: High-speed GPC device ("HLC-8220GPC" manufactured by Tosoh Corporation)
Column: The following columns manufactured by Tosoh Corporation were used in series connection.
"TSKgel G5000" (7.8 mm ID × 30 cm) × 1 "TSK gel G 4000" (7.8 mm ID × 30 cm) × 1 "TSK gel G 3000" (7.8 mm ID × 30 cm) × 1 This "TSKgel G2000" (7.8 mm ID × 30 cm) × 1 detector: RI (differential refractometer)
Column temperature: 40 ° C
Eluent: Tetrahydrofuran (THF)
Flow rate: 1.0 mL / min Injection volume: 100 μL (tetrahydrofuran solution with a sample concentration of 4 mg / mL)
Standard sample: A calibration curve was prepared using the following monodispersed polystyrene.
(単分散ポリスチレン)
東ソー株式会社製「TSKgel 標準ポリスチレン A−500」
東ソー株式会社製「TSKgel 標準ポリスチレン A−1000」
東ソー株式会社製「TSKgel 標準ポリスチレン A−2500」
東ソー株式会社製「TSKgel 標準ポリスチレン A−5000」
東ソー株式会社製「TSKgel 標準ポリスチレン F−1」
東ソー株式会社製「TSKgel 標準ポリスチレン F−2」
東ソー株式会社製「TSKgel 標準ポリスチレン F−4」
東ソー株式会社製「TSKgel 標準ポリスチレン F−10」
東ソー株式会社製「TSKgel 標準ポリスチレン F−20」
東ソー株式会社製「TSKgel 標準ポリスチレン F−40」
東ソー株式会社製「TSKgel 標準ポリスチレン F−80」
東ソー株式会社製「TSKgel 標準ポリスチレン F−128」
東ソー株式会社製「TSKgel 標準ポリスチレン F−288」
東ソー株式会社製「TSKgel 標準ポリスチレン F−550」
(Monodispersed polystyrene)
Tosoh Corporation "TSKgel standard polystyrene A-500"
Tosoh Corporation "TSKgel standard polystyrene A-1000"
Tosoh Corporation "TSKgel standard polystyrene A-2500"
Tosoh Corporation "TSKgel standard polystyrene A-5000"
Tosoh Corporation "TSKgel standard polystyrene F-1"
Tosoh Corporation "TSKgel standard polystyrene F-2"
Tosoh Corporation "TSKgel standard polystyrene F-4"
Tosoh Corporation "TSKgel standard polystyrene F-10"
Tosoh Corporation "TSKgel standard polystyrene F-20"
Tosoh Corporation "TSKgel standard polystyrene F-40"
Tosoh Corporation "TSKgel standard polystyrene F-80"
Tosoh Corporation "TSKgel standard polystyrene F-128"
Tosoh Corporation "TSKgel standard polystyrene F-288"
Tosoh Corporation "TSKgel standard polystyrene F-550"
(製造例1:ウレタン変性エポキシ樹脂(A−1)の合成)
温度計、撹拌装置、還流冷却管、滴下装置を備えた4ツ口フラスコに、ポリエチレングリコール(水酸基価:187)10質量部、及びメチルエチルケトン100質量部を加え、40℃で十分に攪拌溶解後、40℃でトリレンジイソシアネート30質量部を添加し、60〜65℃で4時間反応させた。次いで、ビスフェノールA型エポキシ樹脂(DIC株式会社製「エピクロン1050」、エポキシ当量:477g/当量)80質量部、及びポリエチレングリコールモノメチルエーテル(水酸基価:102)70質量部を加えて60〜65℃で4時間反応させることによって、メトキシポリオキシエチレン構造とエポキシ基とを有するウレタン変性エポキシ樹脂(A−1)を得た。なお、ウレタン変性エポキシ樹脂(A−1)の重量平均分子量は、10,000であった。次いで、ポリオキシアルキレントリデシルエーテル(第一工業製薬株式会社製「ノイゲンXL−400」)19質量部を加え十分に攪拌した。次いで、イオン交換水736質量部を30分かけて滴下し、更に15分間攪拌混合した。この水分散物を減圧蒸留により濃縮して、不揮発分30質量%のウレタン変性エポキシ樹脂(A−1)の水分散体を得た。
Production Example 1: Synthesis of Urethane-Modified Epoxy Resin (A-1)
10 parts by mass of polyethylene glycol (hydroxyl value: 187) and 100 parts by mass of methyl ethyl ketone are added to a four-necked flask equipped with a thermometer, a stirrer, a reflux condenser, and a dropping device, and sufficiently stirred and dissolved at 40 ° C. At 40 ° C., 30 parts by mass of tolylene diisocyanate was added and allowed to react at 60 to 65 ° C. for 4 hours. Then, add 80 parts by mass of bisphenol A type epoxy resin ("Epiclon 1050" manufactured by DIC Corporation, epoxy equivalent: 477 g / equivalent), and 70 parts by mass of polyethylene glycol monomethyl ether (hydroxyl value: 102). By reacting for 4 hours, a urethane-modified epoxy resin (A-1) having a methoxypolyoxyethylene structure and an epoxy group was obtained. In addition, the weight average molecular weight of the urethane modified epoxy resin (A-1) was 10,000. Next, 19 parts by mass of polyoxyalkylene tridecyl ether ("Nugen XL-400" manufactured by Dai-ichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd.) was added and sufficiently stirred. Then, 736 parts by mass of ion exchange water was dropped over 30 minutes, and the mixture was further stirred and mixed for 15 minutes. The aqueous dispersion was concentrated by distillation under reduced pressure to obtain an aqueous dispersion of urethane-modified epoxy resin (A-1) having a nonvolatile content of 30% by mass.
(製造例2:ウレタン変性エポキシ樹脂(A−2)の合成)
温度計、撹拌装置、還流冷却管、滴下装置を備えた4ツ口フラスコに、ポリオキシエチレンポリオキシプロピレンモノブチルエーテル(日油株式会社製「ユニルーブ50MB−26」、エチレンオキサイド付加モル数:17、プロピレンオキサイド付加モル数:17、水酸基価:29)80質量部、及びビスフェノールA型エポキシ樹脂(DIC株式会社製「エピクロン1050」、エポキシ当量:477g/当量)80質量部、及びメチルエチルケトン100質量部を加え、40℃で十分に撹拌溶解した。次いで、40℃でトリレンジイソシアネート20質量部を添加し、60〜65℃で6時間反応させることによって、ブトキシポリオキシエチレンポリオキシプロピレン構造とエポキシ基とを有するウレタン変性エポキシ樹脂(A−2)を得た。なお、ウレタン変性エポキシ樹脂(A−2)の重量平均分子量は、15,000であった。
次いで、ポリオキシエチレンジスチレン化フェニルエーテル(花王株式会社製「エマルゲンA−500」)18質量部を加え十分に攪拌した。次いで、イオン交換水692質量部を30分かけて滴下し、更に15分間攪拌混合した。この水分散物を減圧蒸留により濃縮して、不揮発分30質量%のウレタン変性エポキシ樹脂(A−2)の水分散体を得た。
Production Example 2: Synthesis of Urethane-Modified Epoxy Resin (A-2)
A four-necked flask equipped with a thermometer, a stirrer, a reflux condenser, and a dropping device, polyoxyethylene polyoxypropylene monobutyl ether ("NOILUB 50MB-26" manufactured by NOF Corporation, ethylene oxide added mole number: 17, 80 parts by mass of propylene oxide added mole number: 17, hydroxyl value: 29), 80 parts by mass of bisphenol A type epoxy resin ("Epiclon 1050" manufactured by DIC Corporation, epoxy equivalent: 477 g / equivalent), and 100 parts by mass of methyl ethyl ketone In addition, the mixture was sufficiently dissolved by stirring at 40 ° C. Then, 20 parts by mass of tolylene diisocyanate is added at 40 ° C., and the reaction is carried out at 60 to 65 ° C. for 6 hours to obtain a urethane-modified epoxy resin (A-2) having a butoxypolyoxyethylene polyoxypropylene structure and an epoxy group. I got In addition, the weight average molecular weight of the urethane modified epoxy resin (A-2) was 15,000.
Subsequently, 18 parts by mass of polyoxyethylene distyrenated phenyl ether ("Emulgen A-500" manufactured by Kao Corp.) was added and sufficiently stirred. Next, 692 parts by mass of ion exchanged water was dropped over 30 minutes, and the mixture was further stirred and mixed for 15 minutes. The aqueous dispersion was concentrated by distillation under reduced pressure to obtain an aqueous dispersion of urethane-modified epoxy resin (A-2) having a nonvolatile content of 30% by mass.
(製造例3:ポリエステルポリオール(b−1)の合成)
温度計、窒素ガス導入管、攪拌機を備えた反応容器中で窒素ガスを導入しながら、5−ナトリウムスルホイソフタル酸ジメチル1480質量部と1,6−ヘキサンジオール1240質量部、及びジブチル錫オキサイド0.5質量部を仕込み、塔頂温度が60〜70℃になるように反応容器内温度を180〜190℃で酸価が1mgKOH/g以下になるまでエステル交換反応を行い、次に210℃で2時間反応させることにより水酸基価240mgKOH/g、酸価0.3mgKOH/gのエステル化反応物を得た。更に該エステル化反応物にε−カプロラクトン2280質量部を仕込み、180℃で3時間開環重合反応することにより水酸基価120mgKOH/g、酸価0.3mgKOH/g、スルホン酸塩基の濃度1.080mmol/gのポリエステルポリオール(b−1)を得た。
Production Example 3: Synthesis of Polyester Polyol (b-1)
While nitrogen gas is introduced into a reaction vessel equipped with a thermometer, a nitrogen gas inlet tube, and a stirrer, 1480 parts by mass of dimethyl 5-sodium sulfoisophthalate and 1240 parts by mass of 1,6-hexanediol, and dibutyl tin oxide 0. Charge 5 parts by mass, perform transesterification until the acid value becomes 1 mg KOH / g or less at a temperature in the reaction vessel of 180 to 190 ° C. so that the tower top temperature is 60 to 70 ° C., and then 2 at 210 ° C. By reacting for time, an esterification reaction product having a hydroxyl value of 240 mg KOH / g and an acid value of 0.3 mg KOH / g was obtained. Furthermore, 2280 parts by mass of ε-caprolactone is added to the esterification reaction product, and ring opening polymerization reaction is carried out at 180 ° C. for 3 hours, whereby a hydroxyl value of 120 mg KOH / g, an acid value of 0.3 mg KOH / g, and a concentration of sulfonate group of 1.080 mmol / G polyester polyol (b-1) was obtained.
(製造例4:スルホン酸塩基を有するウレタン樹脂(B−1)の合成)
温度計、撹拌装置、還流冷却管、滴下装置を備えた4ツ口フラスコに、ポリエステルポリオール(b−1)30質量部、及びメチルエチルケトン60質量部を加え、十分に撹拌溶解した。次いで、イソホロンジイソシアネート34部及びヘキサメチレンジイソシアネート4質量部を加えて80℃で3時間反応させた。次いで、メチルエチルケトン95質量部を投入し60℃まで冷却後、1,4−ブチレングリコール5質量部、1,4−ブチレングリコールとアジピン酸とからなるポリエステルであるポリブチレンアジペート(水酸基価37mgKOH/g、酸価0.3mgKOH/g)160質量部を加え80℃にて反応を行った。その後、イソシアネート含有量が0.79%以下になったことを確認した後、40℃まで冷却し、水280質量部を加え十分に撹拌混合した後、10%ピペラジン水溶液29.7質量部(残存イソシアネート基に対しアミン基として95当量%)を加えて乳化分散した。得られた乳化液を脱溶剤し、不揮発分50質量%のスルホン酸塩基を有するウレタン樹脂(B−1)の水分散体を得た。なお、スルホン酸塩基を有するウレタン樹脂(B−1)のスルホン酸塩基の濃度は、0.137mmol/g、カルボキシル基の濃度は、0.004mmol/g、重量平均分子量は、80,000、ガラス転移温度は−45℃であった。
Production Example 4 Synthesis of Urethane Resin Having Sulfonic Acid Base (B-1)
30 parts by mass of polyester polyol (b-1) and 60 parts by mass of methyl ethyl ketone were added to a four-necked flask equipped with a thermometer, a stirrer, a reflux condenser, and a dropping device, and sufficiently stirred and dissolved. Next, 34 parts of isophorone diisocyanate and 4 parts by mass of hexamethylene diisocyanate were added and reacted at 80 ° C. for 3 hours. Next, 95 parts by mass of methyl ethyl ketone is added and cooled to 60 ° C., and then 5 parts by mass of 1,4-butylene glycol, polybutylene adipate which is a polyester composed of 1,4-butylene glycol and adipic acid (hydroxyl value 37 mg KOH / g, 160 parts by mass of acid value 0.3 mg KOH / g) were added and reaction was carried out at 80 ° C. Then, after confirming that the isocyanate content has become 0.79% or less, cool to 40 ° C., add 280 parts by mass of water, sufficiently stir and mix, and then 29.7 parts by mass of 10% piperazine aqueous solution (residual 95 equivalent% as an amine group) was added with respect to the isocyanate group, and it emulsified-dispersed. The obtained emulsion was desolventized to obtain an aqueous dispersion of a urethane resin (B-1) having a sulfonate group having a nonvolatile content of 50% by mass. The concentration of the sulfonate group in the urethane resin (B-1) having a sulfonate group is 0.137 mmol / g, the concentration of the carboxyl group is 0.004 mmol / g, and the weight average molecular weight is 80,000, glass The transition temperature was -45 ° C.
(製造例5:ウレタン樹脂(RB−1)の合成)
温度計、撹拌装置、還流冷却管、滴下装置を備えた4ツ口フラスコに、ビスフェノールAにプロピレンオキサイドが2モル付加したグリコール(水酸基価325mgKOH/g)77質量部、1,4−ブチレングリコールとアジピン酸からなるポリエステルであるポリブチレンアジペート(水酸基価112mgKOH/g、酸価0.3mgKOH/g)221質量部、及びメチルエチルケトン357質量部を加え十分に攪拌し、さらに2,2−ジメチロールプロピオン酸26質量部を加え、次いでトリレンジイソシアネート111質量部及びオクチル酸スズ0.2質量部を加えて75℃で8時間反応させた。その後、イソシアネート含有量が0.1%以下になったことを確認した後、50℃まで冷却し、トリエチルアミン20質量部を加え中和し、さらに水1600質量部を加えて乳化分散した。得られた乳化液を脱溶剤し、不揮発分25質量%のウレタン樹脂(RB−1)の水分散体を得た。なお、ウレタン樹脂(RB−1)のカルボキシル基濃度は、0.429mmol/g、重量平均分子量は、40,000、ガラス転移温度は−15℃であった。
Production Example 5 Synthesis of Urethane Resin (RB-1)
In a 4-neck flask equipped with a thermometer, a stirrer, a reflux condenser, and a dropping device, 77 parts by mass of glycol (hydroxyl value 325 mg KOH / g) obtained by adding 2 moles of propylene oxide to bisphenol A, and 1,4-butylene glycol Add 221 parts by mass of polybutylene adipate (hydroxyl value 112 mg KOH / g, acid value 0.3 mg KOH / g), which is a polyester composed of adipic acid, and 357 parts by mass of methyl ethyl ketone and sufficiently stir and further add 2,2-dimethylol propionic acid 26 parts by mass were added, then 111 parts by mass of tolylene diisocyanate and 0.2 parts by mass of tin octylate were added and reacted at 75 ° C. for 8 hours. Then, after confirming that the isocyanate content was 0.1% or less, the system was cooled to 50 ° C., 20 parts by mass of triethylamine was added for neutralization, and further, 1600 parts by mass of water was added for emulsification dispersion. The obtained emulsion was desolvated to obtain an aqueous dispersion of urethane resin (RB-1) having a nonvolatile content of 25% by mass. The carboxyl group concentration of the urethane resin (RB-1) was 0.429 mmol / g, the weight average molecular weight was 40,000, and the glass transition temperature was -15 ° C.
(製造例6:ウレタン樹脂(RB−2)の合成)
温度計、撹拌装置、還流冷却管、滴下装置を備えた4ツ口フラスコに、ポリエステルポリオール(b−1)15質量部、及びメチルエチルケトン30質量部を加え、十分に撹拌溶解した。次いで、イソホロンジイソシアネート63質量部及びオクチル酸スズ0.1質量部を加えて80℃で3時間反応させた。次いで、メチルエチルケトン125質量部を投入し60℃まで冷却後、2,2−ジメチロールプロピオン酸6質量部、1,4−ブチレングリコールとアジピン酸とからなるポリエステルであるポリブチレンアジペート(水酸基価112mgKOH/g、酸価0.3mgKOH/g)160質量部を加え80℃にて反応を行った。その後、イソシアネート含有量が1.3%以下になったことを確認した後、40℃まで冷却し、トリエチルアミン4.5質量部、次いで水800質量部を加え十分に撹拌混合した後、10%ピペラジン水溶液49質量部(残存イソシアネート基に対しアミン基として90当量%)を加えて乳化分散した。得られた乳化液を脱溶剤し、不揮発分25質量%のスルホン酸塩基とカルボキシル基とを有するウレタン樹脂(RB−2)の水分散体を得た。なお、ウレタン樹脂(RB−2)のスルホン酸塩基の濃度は、0.065mmol/g、カルボキシル基の濃度は、0.183mmol/g、重量平均分子量は、90,000、ガラス転移温度は−38℃であった。
Production Example 6: Synthesis of Urethane Resin (RB-2)
15 parts by mass of polyester polyol (b-1) and 30 parts by mass of methyl ethyl ketone were added to a four-necked flask equipped with a thermometer, a stirrer, a reflux condenser, and a dropping device, and sufficiently stirred and dissolved. Next, 63 parts by mass of isophorone diisocyanate and 0.1 parts by mass of tin octylate were added and reacted at 80 ° C. for 3 hours. Then, 125 parts by mass of methyl ethyl ketone is added, and after cooling to 60 ° C., polybutylene adipate (a hydroxyl value of 112 mg KOH /, which is a polyester consisting of 6 parts by mass of 2,2-dimethylol propionic acid, 1,4-butylene glycol and adipic acid) 160 parts by mass of g, acid value 0.3 mg KOH / g) were added and the reaction was carried out at 80.degree. Then, after confirming that the isocyanate content has become 1.3% or less, cool to 40 ° C., add 4.5 parts by mass of triethylamine and then 800 parts by mass of water and sufficiently mix by stirring, then 10% piperazine An aqueous solution of 49 parts by mass (90 equivalent% as amine group based on the remaining isocyanate group) was added and emulsified and dispersed. The obtained emulsion was desolventized to obtain an aqueous dispersion of a urethane resin (RB-2) having a sulfonate group having a nonvolatile content of 25% by mass and a carboxyl group. The concentration of the sulfonate group of the urethane resin (RB-2) is 0.065 mmol / g, the concentration of the carboxyl group is 0.183 mmol / g, the weight average molecular weight is 90,000, and the glass transition temperature is -38. It was ° C.
(実施例1:炭素繊維集束剤(1)の調製及び評価)
製造例1で得られたウレタン変性エポキシ樹脂(A−1)の水分散体233質量部(ウレタン変性エポキシ樹脂(A−1)として70質量部)、製造例4で得られたスルホン酸塩基を有するウレタン樹脂(B−1)の水分散体60質量部(スルホン酸塩基を有するウレタン樹脂(B−1)として30質量部)、及びイオン交換水を混合することによって、不揮発分5質量%の炭素繊維集束剤(1)を調製した。
Example 1: Preparation and evaluation of carbon fiber sizing agent (1)
233 parts by weight of the aqueous dispersion of the urethane-modified epoxy resin (A-1) obtained in Production Example 1 (70 parts by weight as the urethane-modified epoxy resin (A-1)), and the sulfonate group obtained in Production Example 4 60 mass parts (30 mass parts as urethane resin (B-1) which has a sulfonic acid group) of the water dispersion of the urethane resin (B-1) which has, and 5 mass% of nonvolatile content by mixing ion-exchange water A carbon fiber sizing agent (1) was prepared.
[炭素繊維集束剤のエポキシ基の保存安定性]
上記で得られた炭素繊維集束剤(1)を35℃で7日間保存し、保存前後のエポキシ当量を塩酸ピリジン法によって測定し、エポキシ基の残存率を算出した。
「エポキシ基の残存率(%)」=「保存前のエポキシ当量(g/当量)」/「保存後のエポキシ当量(g/当量)」×100
[Storage stability of epoxy group of carbon fiber sizing agent]
The carbon fiber sizing agent (1) obtained above was stored at 35 ° C. for 7 days, and the epoxy equivalents before and after storage were measured by the pyridine hydrochloride method to calculate the residual ratio of the epoxy group.
“Remaining ratio of epoxy group (%)” = “epoxy equivalent before storage (g / equivalent)” / “epoxy equivalent after storage (g / equivalent)” × 100
[炭素繊維ストランドの作製]
ポリアクリロニトリル系炭素繊維(直径7μm/6000本)のノーサイズ糸を束ね、炭素繊維集束剤(1)を浸漬法で含浸し、ローラーで絞ることで有効成分の付着量を1質量%に調整し、次いで、150℃で30分間熱処理することによって、炭素繊維ストランド(1)を得た。
[Production of carbon fiber strands]
No-size yarns of polyacrylonitrile carbon fiber (diameter 7 μm / 6000) are bundled, impregnated with carbon fiber sizing agent (1) by immersion method, and squeezed with a roller to adjust the adhesion amount of the active ingredient to 1 mass% Then, heat treatment was carried out at 150 ° C. for 30 minutes to obtain carbon fiber strands (1).
[耐擦過性の評価]
TM式摩擦抱合力試験機TM−200(大栄科学精機製作所製)を用い、ジグザグに配置した鏡面クロムメッキステンレス針3本を介して50gの張力で、炭素繊維ストランド(1)を1000回擦過させ(往復運動速度300回/分)、毛羽立ちの状態を下記の基準で目視判定した。
◎:擦過前と同じく毛羽発生が全く見られなかった。
○:数本の毛羽は見られたものの、実用上問題ないレベルであった。
△:毛羽立ちが確認でき、糸切れも若干見られた。
×:毛羽立ち及び単糸の糸切れが非常に多く確認できた。
[Evaluation of abrasion resistance]
A carbon fiber strand (1) is rubbed 1000 times with 50 g of tension via three specular chrome plated stainless steel needles arranged in a zigzag manner using a TM type friction conjugation tester TM-200 (manufactured by Daiei Kagaku Seiki Seisakusho) The state of fuzz was visually determined according to the following criteria (reciprocation speed 300 times / min).
:: No fluff was observed at all as in the case of rubbing.
○: Although several fluffs were observed, they were at a practically acceptable level.
Δ: Fluffing was confirmed and thread breakage was slightly observed.
X: A large number of fuzz and yarn breakage of single yarn could be confirmed.
[炭素繊維チョップドストランドの作製]
ポリアクリロニトリル系炭素繊維(直径7μm/6000本)のノーサイズ糸を束ね、炭素繊維集束剤(1)を浸漬法で含浸し、ローラーで絞ることで有効成分の付着量を1質量%に調整し、次いで、ロービングカッターで5mmの長さに切断し、続いて150℃で30分間熱処理することによって、炭素繊維チョップドストランド(1)を得た。
[Fabrication of carbon fiber chopped strands]
No-size yarns of polyacrylonitrile carbon fiber (diameter 7 μm / 6000) are bundled, impregnated with carbon fiber sizing agent (1) by immersion method, and squeezed with a roller to adjust the adhesion amount of the active ingredient to 1 mass% Then, a carbon fiber chopped strand (1) was obtained by cutting to a length of 5 mm with a roving cutter and subsequently heat treating at 150 ° C. for 30 minutes.
[繊維集束性の評価]
炭素繊維チョップドストランド(1)50個を抽出し、目視により炭素繊維のほぐれや毛羽立ち等がみられた数から、下記の基準により評価した。
◎:0個
○:1〜5個
△:6〜30個
×:31個以上
[Evaluation of fiber convergence]
Fifty carbon fiber chopped strands (1) were extracted and evaluated according to the following criteria from the number of loosened carbon fibers and fuzzing visually observed.
: 0: 0 ○: 1 to 5 △: 6 to 30 ×: 31 or more
[エポキシ樹脂成形品の作製]
ビスフェノールA型エポキシ樹脂(DIC株式会社製「エピクロン850S」)50質量部、ビスフェノールA型エポキシ樹脂(DIC株式会社製「エピクロン1050」)20質量部、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂(DIC株式会社製「エピクロン673」)30質量部に、ジシアンジアミド4質量部及びN−(3,4−ジクロロフェニル)−N’,N’−ジメチルウレア4質量部を調合し離型紙上に塗布した。塗布した樹脂フィルム上に前記で得た炭素繊維ストランド(1)を等間隔で一方向に引き揃え並べた後、加熱してエポキシ樹脂を含浸し、炭素繊維含有率が60体積%のプリプレグを作成した。作成したプリプレグを積層し、150℃加圧下で1時間、続いて140℃で4時間処理することによってエポキシ樹脂成形品(1)を作製した。
[Preparation of epoxy resin molded article]
50 parts by mass of bisphenol A epoxy resin ("Epiclon 850S" manufactured by DIC Corporation), 20 parts by mass of bisphenol A epoxy resin ("Epiclon 1050" manufactured by DIC Corporation), Cresol novolac epoxy resin ("Epiclon manufactured by DIC Corporation" 673 ") 30 parts by weight of 4 parts by weight of dicyandiamide and 4 parts by weight of N- (3,4-dichlorophenyl) -N ', N'-dimethylurea were prepared and coated on a release paper. The carbon fiber strands (1) obtained above are aligned in one direction at equal intervals on the coated resin film, and then heated to impregnate the epoxy resin, thereby forming a prepreg having a carbon fiber content of 60% by volume. did. The prepared prepreg was laminated, and treated at 150 ° C. under pressure for 1 hour, and subsequently treated at 140 ° C. for 4 hours to produce an epoxy resin molded product (1).
[エポキシ樹脂成形品の層間せん断強度の評価]
エポキ樹脂成形品(1)の厚さ2.5mm、幅6.0mmの試験板について、ASTM D−2344に準拠した方法で層間せん断強度を測定した。
[Evaluation of interlaminar shear strength of epoxy resin molded article]
The interlaminar shear strength was measured on the test plate of thickness 2.5 mm and width 6.0 mm of the epoxy resin molded product (1) by a method according to ASTM D-2344.
[ポリアミド樹脂成形品の作製]
前記で得られた炭素繊維チョップドストランド(1)と6,6−ナイロン樹脂ペレット(汎用射出成形グレード)とを炭素繊維含有率が30質量%となるように二軸押し出し混錬機にてコンパウンドし、3mmΦ×3mm長のコンパウンドペレットに加工した。このコンパウンドペレットを乾燥後、射出成形にてポリアミド樹脂成形品(1)を作製した。
[Production of Polyamide Resin Molded Article]
The carbon fiber chopped strand (1) obtained above and 6,6-nylon resin pellets (general-purpose injection molding grade) are compounded by a twin-screw extrusion kneader so that the carbon fiber content is 30% by mass. , 3 mm × × 3 mm long compound pellets. After drying the compound pellets, a polyamide resin molded product (1) was produced by injection molding.
[ポリアミド樹脂成形品の曲げ強度の評価]
ポリアミド樹脂成形品(1)について、ISO178に準拠した方法で曲げ強度を測定した。
[Evaluation of bending strength of polyamide resin molded article]
The bending strength of the polyamide resin molded product (1) was measured by the method according to ISO178.
(実施例2:炭素繊維集束剤(2)の合成及び評価)
製造例2で得られたウレタン変性エポキシ樹脂(A−2)の水分散体283質量部(ウレタン変性エポキシ樹脂(A−2)として85質量部)、製造例4で得られたスルホン酸塩基を有するウレタン樹脂(B−1)の水分散体50質量部(スルホン酸塩基を有するウレタン樹脂(B−1)として15質量部)、及びイオン交換水を混合することによって、不揮発分5質量%の炭素繊維集束剤(2)を調製した。
(Example 2: Synthesis and evaluation of carbon fiber sizing agent (2))
283 parts by mass (85 parts by mass as a urethane-modified epoxy resin (A-2)) of the aqueous dispersion of the urethane-modified epoxy resin (A-2) obtained in Production Example 2 and the sulfonate group obtained in Preparation Example 4 50 mass parts (15 mass parts as urethane resin (B-1) which has a sulfonate group) of the water dispersion of the urethane resin (B-1) which has, and 5 mass% of non volatile matters by mixing ion-exchange water A carbon fiber sizing agent (2) was prepared.
炭素繊維集束剤(1)に代えて、炭素繊維集束剤(2)を用いた以外は、実施例1と同様にして、各評価を行った。 Each evaluation was performed in the same manner as in Example 1 except that the carbon fiber sizing agent (2) was used instead of the carbon fiber sizing agent (1).
(比較例1:炭素繊維集束剤(R1)の調製及び評価)
ウレタン変性エポキシ樹脂(A−1)及びイオン交換水を混合することによって、不揮発分5質量%の炭素繊維集束剤(R1)を調製した。
(Comparative example 1: Preparation and evaluation of carbon fiber sizing agent (R1))
A carbon fiber sizing agent (R1) having a nonvolatile content of 5% by mass was prepared by mixing a urethane-modified epoxy resin (A-1) and ion exchange water.
炭素繊維集束剤(1)に代えて、炭素繊維集束剤(R1)を用いた以外は、実施例1と同様にして、各評価を行った。 Each evaluation was performed in the same manner as in Example 1 except that the carbon fiber sizing agent (R1) was used instead of the carbon fiber sizing agent (1).
(比較例2:炭素繊維集束剤(R2)の調製及び評価)
スルホン酸塩基を有するウレタン樹脂(B−1)及びイオン交換水を混合することによって、不揮発分5質量%の炭素繊維集束剤(R2)を調製した。
(Comparative example 2: Preparation and evaluation of carbon fiber sizing agent (R2))
A carbon fiber sizing agent (R2) having a nonvolatile content of 5% by mass was prepared by mixing a urethane resin (B-1) having a sulfonate group and ion-exchanged water.
炭素繊維集束剤(1)に代えて、炭素繊維集束剤(R2)を用いた以外は、実施例1と同様にして、各評価を行った。 Each evaluation was performed in the same manner as in Example 1 except that a carbon fiber sizing agent (R2) was used instead of the carbon fiber sizing agent (1).
(比較例3:炭素繊維集束剤(R3)の調製及び評価)
製造例1で得られたウレタン変性エポキシ樹脂(A−1)の水分散体233質量部(ウレタン変性エポキシ樹脂(A−1)として70質量部)、製造例5で得られたウレタン樹脂(RB−1)の水分散体120質量部(ウレタン樹脂(RB−1)として30質量部)、及びイオン交換水を混合することによって、不揮発分5質量%の炭素繊維集束剤(R3)を調製した。
(Comparative example 3: Preparation and evaluation of carbon fiber sizing agent (R3))
233 parts by weight of the aqueous dispersion of the urethane-modified epoxy resin (A-1) obtained in Production Example 1 (70 parts by weight as the urethane-modified epoxy resin (A-1)), the urethane resin obtained in Production Example 5 (RB A carbon fiber sizing agent (R3) having a nonvolatile content of 5% by mass was prepared by mixing 120 parts by mass of the aqueous dispersion of (1) (30 parts by mass as a urethane resin (RB-1)) and ion-exchanged water .
炭素繊維集束剤(1)に代えて、炭素繊維集束剤(R3)を用いた以外は、実施例1と同様にして、各評価を行った。 Each evaluation was performed in the same manner as in Example 1 except that a carbon fiber sizing agent (R3) was used instead of the carbon fiber sizing agent (1).
(比較例4:炭素繊維集束剤(R4)の調製及び評価)
製造例1で得られたウレタン変性エポキシ樹脂(A−1)の水分散体200質量部(ウレタン変性エポキシ樹脂(A−1)として60質量部)、製造例6で得られたウレタン樹脂(RB−2)の水分散体160質量部(カルボキシル基を有するウレタン樹脂(RB−2)として40質量部)、及びイオン交換水を混合することによって、不揮発分5質量%の炭素繊維集束剤(R4)を調製した。
(Comparative example 4: Preparation and evaluation of carbon fiber sizing agent (R4))
200 parts by weight of the aqueous dispersion of the urethane-modified epoxy resin (A-1) obtained in Production Example 1 (60 parts by weight as the urethane-modified epoxy resin (A-1)), the urethane resin obtained in Production Example 6 (RB A carbon fiber sizing agent with a non-volatile content of 5% by mass (R4) by mixing 160 parts by mass of the aqueous dispersion (2) (40 parts by mass as a urethane resin (RB-2) having a carboxyl group) and ion-exchanged water Were prepared.
炭素繊維集束剤(1)に代えて、炭素繊維集束剤(R4)を用いた以外は、実施例1と同様にして、各評価を行った。 Each evaluation was performed in the same manner as in Example 1 except that a carbon fiber sizing agent (R4) was used instead of the carbon fiber sizing agent (1).
上記の実施例1〜2及び比較例1〜4の評価結果を表1に示す。 Table 1 shows the evaluation results of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 4 described above.
本発明の繊維集束剤である実施例1〜2のものは、エポキシ基の残存率が高く、耐擦過性及び繊維集束性が良好であった。また、これを用いて得られる成形品は、マトリックス樹脂が熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂どちらの場合においても、強度に優れることが確認された。 The thing of Examples 1-2 which is a fiber sizing agent of this invention had the high residual ratio of an epoxy group, and was excellent in abrasion resistance and fiber focusing property. Moreover, it was confirmed that the molded article obtained using this is excellent in strength whether the matrix resin is a thermosetting resin or a thermoplastic resin.
一方、比較例1は、スルホン酸塩基を有するウレタン樹脂を含有しない例であるが、繊維集束性が劣ることが確認された。 On the other hand, Comparative Example 1 is an example in which the urethane resin having a sulfonate group is not contained, but it was confirmed that the fiber bundling property is inferior.
比較例2は、ウレタン変性エポキシ樹脂を含有しない例であるが、マトリックス樹脂がエポキシ樹脂の場合においては、これを用いて得られる成形品の強度が不十分であることが確認された。 Although the comparative example 2 is an example which does not contain a urethane modified epoxy resin, when matrix resin is an epoxy resin, it was confirmed that the intensity | strength of the molded article obtained using this is inadequate.
比較例3は、スルホン酸塩基を有さず、カルボキシル基を有するウレタン樹脂を含有する例であるが、エポキシ基の残存率が低く、耐擦過性及び繊維集束性が不十分であることが確認された。また、これを用いて得られる成形品は、強度が不十分であることが確認された。 Comparative Example 3 is an example which does not have a sulfonate group but contains a urethane resin having a carboxyl group, but it is confirmed that the residual rate of the epoxy group is low, and the abrasion resistance and the fiber convergence are insufficient. It was done. Moreover, it was confirmed that the molded products obtained using this have insufficient strength.
比較例4は、スルホン酸塩基を有するウレタン樹脂中のカルボキシル基濃度が、上限である0.05mmol/gを超える例であるが、エポキシ基の残存率が低く、耐擦過性が不十分であることが確認された。また、これを用いて得られる成形品は、強度が不十分であることが確認された。 Comparative Example 4 is an example where the carboxyl group concentration in the urethane resin having a sulfonate group exceeds the upper limit of 0.05 mmol / g, but the residual rate of the epoxy group is low, and the scratch resistance is insufficient. That was confirmed. Moreover, it was confirmed that the molded products obtained using this have insufficient strength.
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