JP6604588B2 - 2−フェニル−4,4’−ジアミノジフェニルエーテル類を用いたワニス、および成形性に優れるイミド樹脂組成物および優れた破断伸びを有する硬化樹脂成形体ならびにそれらを用いたプリプレグ、イミドプリプレグおよび耐熱性および機械強度に優れる繊維強化素材 - Google Patents
2−フェニル−4,4’−ジアミノジフェニルエーテル類を用いたワニス、および成形性に優れるイミド樹脂組成物および優れた破断伸びを有する硬化樹脂成形体ならびにそれらを用いたプリプレグ、イミドプリプレグおよび耐熱性および機械強度に優れる繊維強化素材 Download PDFInfo
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Description
一方、芳香族ポリイミドは一般に加工性に乏しく、特に溶融成形や繊維強化複合材料のマトリックス樹脂として用いることは不向きである。
そのため、芳香族ポリイミドを繊維強化複合材料用のマトリックス樹脂に適用する際には、低分子量の状態で樹脂を繊維に含浸させた後に、最終的な工程で樹脂を架橋、硬化させる熱付加反応性のポリイミドを用いることが一般的である。従来開発された繊維強化複合材料用のポリイミド樹脂の例としてPMR−15が挙げられる。PMR−15は主鎖がベンゾフェノンテトラカルボン酸ジエステルとジアミノジフェニルメタンの縮合によって構成され、末端封止剤として5−ノルボルネン−2,3−ジカルボン酸無水物モノエステル(通称ナジック酸無水物)が使用された、繰り返し単位が約1−6程度の熱付加反応性イミド樹脂である(非特許文献1、非特許文献2)。
(A)一般式(1)で表される芳香族テトラカルボン酸ジエステル類、1〜500重量部、
(B)2−フェニル−4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、1〜450重量部、
(C)一般式(2)で表される4−(2−フェニルエチニル)フタル酸モノエステル、1〜400重量部、
(D)1気圧での沸点が150℃以下である有機溶剤、または2種類以上の前記有機溶剤の混合物、100重量部
前記一般式(1)中のR1で表される芳香族テトラカルボン酸ジエステル類残基とは、芳香族テトラカルボン酸類中の4個のカルボキシル基がとれた4価の芳香族系の有機基をいう。
また、本発明は、前記ワニスを加熱することにより特定の末端変性イミドオリゴマー成分を作製することで、高温溶融流動性および成型加工性に優れた固体状のイミド樹脂組成物を提供することができる。
また、本発明は、前記固体状のイミド樹脂組成物をさらに加熱し、前記末端変性イミドオリゴマー成分を高分子量化させることにより、高い耐熱性と非常に優れた破断伸びを兼ね備えるイミド樹脂成形体を提供することができる。
また、本発明は、前記ワニスを繊維に含浸させることにより、保存性や取り扱いに優れ、また、各プリプレグ間の密着性に優れたイミドプリプレグを提供することができる。
また、本発明のプリプレグまたはイミドプリプレグは、前記プリプレグまたは前記イミドプリプレグを積層して複合材料を加熱成形する工程において、前記ワニスに使用した低沸点の有機溶剤が前記複合材料から容易に除去できるため、耐熱性および機械特性の両者に優れ、かつ内部に大きな空隙が無い高品質な繊維強化複合材料を容易に作製することができる。
本発明のワニスは、以下の(A)〜(D)成分を含み、(A)、(B)および(C)成分が、溶解した状態で含まれていることを特徴とする。
(A)一般式(1)で表される芳香族テトラカルボン酸ジエステル類、1〜500重量部、
(B)2−フェニル−4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、1〜450重量部、
(C)一般式(2)で表される4−(2−フェニルエチニル)フタル酸モノエステル、1〜400重量部、
(D)1気圧での沸点が150℃以下である有機溶剤、または2種類以上の前記有機溶剤の混合物、100重量部
本発明のワニスの構成成分として、前記一般式(1)で表される芳香族テトラカルボン酸ジエステル類を使用する。一般式(1)で表される芳香族テトラカルボン酸ジエステル類は、前記(B)、(C)成分と反応することで前記一般式(3)で表される末端変性イミドオリゴマーの骨格の一部を形成する成分である。
中でも、イミド樹脂組成物の成形体が高いガラス転移温度(Tg)、長期熱安定性、高温での耐酸化安定性を発現可能である等の観点から、ワニスを構成する芳香族テトラカルボン酸ジエステル類において、一般式(1)中のR1で表される芳香族テトラカルボン酸ジエステル類残基が、1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸類の4価残基、または、3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸類の4価残基、または、ビス(3,4−カルボキシフェニル)エーテル類の4価残基が好ましく、1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸類の4価残基または3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸類の4価残基であることがさらに好ましい。
中でも、熱硬化後の樹脂が高いガラス転移温度を発現可能である観点から、1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸ジメチルエステル、1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸ジエチルエステルが好ましい。
本発明のワニスの構成成分として、2−フェニル−4,4’−ジアミノジフェニルエーテルを使用する。これにより、前記一般式(3)で表される末端変性イミドオリゴマーは、その分子中に2−フェニル−4,4’−ジアミノジフェニルエーテル類に由来する骨格を有する。本発明では、2−フェニル−4,4’−ジアミノジフェニルエーテル類の一部を他の芳香族ジアミン類で置き換えてもよい。
本発明のワニスの構成成分として、前記一般式(2)で表される4−(2−フェニルエチニル)フタル酸モノエステルを使用する。一般式(2)で表される4−(2−フェニルエチニル)フタル酸モノエステルは、前記(A)、(B)成分と反応することで後述の一般式(3)で表されるイミド樹脂組成物の骨格の一部を形成する成分である。
前記のワニスの調製に用いる有機溶剤としては、加熱によるイミドオリゴマーの合成時に速やかに揮発除去させるために、一気圧での沸点が150℃以下のものであり、前記沸点が100℃以下であるものが好ましい。
前記ワニスが繊維のモノフィラメント間に充分に浸透性されたプリプレグを作製でき、さらに優れた耐熱性を発現する繊維強化複合材料を作製するために、前記ワニスを構成する一般式(1)で表される芳香族テトラカルボン酸ジエステル類の含有量としては、前記有機溶剤100重量部に対して、1〜500重量部であり、20〜280重量部が好ましく、40〜200重量部がより好ましい。
また、前記と同様の観点から、2−フェニル−4,4’−ジアミノジフェニルエーテルの含有量としては、前記有機溶剤100重量部に対して、1〜450重量部であり、40〜400重量部が好ましく、40〜280重量部がより好ましい。
また、また、前記と同様の観点から、前記一般式(2)で表される4−(2−フェニルエチニル)フタル酸モノエステルの含有量としては、前記有機溶剤100重量部に対して、1〜400重量部であり、5〜100重量部が好ましく、10〜80重量部がより好ましい。
前記ワニスでは、前記有機溶剤に対して、前記一般式(1)で表される芳香族テトラカルボン酸ジエステル類、前記2−フェニル−4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、前記一般式(2)で表される4−(2−フェニルエチニル)フタル酸モノエステルがいずれも溶解した状態となっている。ここで、溶解した状態とは、前記各成分が有機溶剤に目視で確認できない程度に、ほぼ均一に溶解された状態であって、それぞれが反応せずに存在している状態をいう。なお、それぞれが存在している状態については、後述の実施例1に記載の方法で確認することができる。
本発明のワニスは、例えば、前記の1種あるいは2種以上の芳香族テトラカルボン酸ジエステル化合物、および、4−(2−フェニルエチニル)フタル酸モノエステルのエステル基の全モル量と、2−フェニル−4,4’−ジアミノジフェニルエーテルを含む芳香族ジアミン類のアミノ基の全モル量とがほぼ等しくなるように使用して、各成分を有機溶剤中で、好ましくは60℃以下、特に好ましくは40℃以下の温度で攪拌させ、均一に溶解させて得られる。
前記ワニスを加熱することにより、前記(A)成分、(B)成分および(C)成分同士を反応させることで末端変性アミド酸オリゴマーが生成され、次いで前記アミド酸オリゴマーを、脱水・環化させ、末端に4−(2−フェニルエチニル)フタル酸残基を有する、一般式(3)で表される末端変性イミドオリゴマーを含むイミド樹脂組成物が得られる。
前記アミド酸オリゴマーの脱水・環化方法としては、例えば、約0〜140℃の温度でイミド化剤を添加する方法、140〜275℃の温度に加熱する方法などが挙げられる。
得られた末端変性イミドオリゴマーは、両末端の熱反応性置換基が高分子量化反応を起こしていないことが望ましい。得られたイミド樹脂組成物は有機溶剤に溶解したワニスの状態でもよいし、半乾燥したペースト状の状態でもよいし、完全に乾燥させた固体状でもよいが、中でも、完全に乾燥させた固体状にすることで、高温溶融流動性および成型加工性に優れたものとすることができる。
なお、前記末端変性イミドオリゴマーは、分子量の異なるもの、または熱可塑性ポリイミドと混合したものでもよい。
前記熱可塑性ポリイミドとしては、加熱により軟性になるポリイミドであり、具体的には市販品であればよく、種類などについては特に限定はない。
前記固体状のイミド樹脂組成物を溶融させた状態でさらに加熱することにより高分子量化したイミド樹脂組成物の成形体を得ることができる。
前記成形体のTgは、例えば、航空機のエンジン周辺の高温部材として適用する場合などにおいて、300℃以上であることが好ましく、330℃以上であることがより好ましく、350℃以上であることがさらに好ましい。
本発明のプリプレグは、前記ワニスを繊維に含浸させてなるものである。
例えば、前記(A)、(B)、(C)の原料組成物の合計含有量が50重量%以上の高濃度で均一に溶解したワニスを作製し、必要あれば適宜濃縮または希釈するなどした後に、平面状に一方向に引き揃えた繊維あるいは繊維織物に含浸させることで、ウエットプリプレグを得ることができる。また、前記ウエットプリプレグを公知の方法で乾燥させることでドライプリプレグにしてもよい。本発明のプリプレグは、ウエットプリプレグおよびドライプリプレグを含む。
また、繊維に付着する有機溶剤量は、プリプレグの積層時の取り扱い簡便とし、また、高温での複合材料の成形過程において樹脂の流出を阻止して優れた機械強度を発現する繊維強化複合材料を作製するために、プリプレグ全体の重量に対して1〜30重量%が好ましく、5〜25重量%がより好ましく、5〜20重量%がさらに好ましい。
本発明のイミドプリプレグは、前記プリプレグをさらに加熱させたものである。
前記ウエットプリプレグまたはドライプリプレグの有機溶剤の溶解液を140〜275℃で5分〜24時間加熱し、有機溶剤の一部または全てを完全に除去することにより、前記末端変性イミドオリゴマーが繊維に付着したイミドウエットプリプレグまたはイミドドライプリプレグを得ることができる。
本発明の繊維強化複合材料は、例えば、以下のようにして得ることができる。
前記プリプレグを所定枚数重ねて、オートクレーブまたはホットプレス等を用いて、80〜500℃の温度かつ1〜1000kg/cm2の圧力で10分から40時間程度加熱硬化して、繊維強化複合材料を得ることができる。また、本発明では、前記プリプレグを用いるほか、前記イミドウエットプリプレグまたはイミドドライプリプレグを使用して積層し、前記と同様にして加熱硬化し、繊維強化複合材料を得ることもできる。
(1)プロトン核磁気共鳴分光(1H-NMR)測定試験
核磁気共鳴分光装置(型式:AV−400M、(株)Bruker社製)を用い、30℃にて測定を行った。測定の際の重水素化溶媒には、重ジメチルスルホキシド(DMSO−d6)または重メタノール(MeOH−d4)を用いた。ケミカルシフト値の基準は、前記の重水素化溶媒に含まれるトリメチルシラン化合物のメチル基のプロトンシグナルを0ppmとした。
示差走査熱量計(DSC、型式:DSC−2010型、TAインスツルメント社製)を用い、窒素気流下、5℃/分の昇温速度により測定した。また、フィルム形状のものは、動的粘弾性測定装置(DMA、型式:RSA−II、Rheometric社製)を用い、昇温速度10℃/分、周波数1Hzにて測定を行い、貯蔵弾性率曲線が低下する前後における2つの接線の交点をガラス転移温度とした。繊維強化複合材料は、動的粘弾性測定装置(DMA、型式:DMA−Q−800型、TAインスツルメント社製)を用い、片持ち梁方式、0.1%のひずみ、1Hzの周波数、窒素気流下、3℃/分の昇温速度により測定した。貯蔵弾性率曲線が低下する前後における2つの接線の交点をガラス転移温度とした。
レオメーター(型式:AR2000型、TAインスツルメント社製)を用い、25mmパラレルプレートで4℃/分の昇温速度により測定した。
熱重量分析装置(TGA、型式:SDT−2960型、TAインスツルメント社製)を用い、窒素気流下、5℃/分の昇温速度により測定した。
テンシロン万能材料試験機(商品名:TENSILON/UTM−II−20、(株)オリエンテック製)を用い、室温にて、引張速度3mm/分で行った。試験片形状は、長さ20mm、幅3mm、厚さ80〜120μmのフィルムとした。
日本分光(株)製、FT/IR−230S型分光計を用いて、室温にて、400cm-1〜4000cm-1の測定範囲にて積算回数32回の条件にて赤外吸収スペクトル測定を行なった。
東機産業株式会社製R550型E型粘度計を用いて23℃の条件にて測定を行った。
クラウトクレーマー社製SDS7800R型超音波深傷試験装置を使用し、5〜15MHzの深傷プローブを用いて、水中にて測定を行った。
オリンパス社製測定顕微鏡STM−MJSを用いて、50〜1000倍の拡大率にて測定を行った。
ASTM−D2344に準拠して行った。
(製造例1)
温度計、攪拌子、窒素導入管、還流管を備えた4つ口の2000mLフラスコに、1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸二無水物を500g(2.29mol)入れ、メタノール1200.13g(37.5mol)を添加し、窒素気流下にて懸濁した状態で80℃にて加熱還流しながら攪拌を行った。攪拌開始後、1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸二無水物が溶媒に徐々に溶解されるのが確認され、攪拌開始から約60分ですべて完全に溶解された。さらに攪拌を続けると、一部溶媒に不溶の沈殿物の析出が確認され、攪拌開始後から120分後に加熱を停止し、室温まで冷却して懸濁溶液を得た。その後、メタノールを室温にて真空条件下で揮発させて、白色粉末の生成物を得た。得られた生成物の1H−NMR測定(DMSO−d6溶媒中)より、ジエステル基が互いにシスの位置に存在する1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸ジメチルエステルが約40%存在し、ジエステル基が互いにトランスの位置に存在する1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸ジメチルエステルが約60%存在する異性体の混合物であった。なお、得られた芳香族テトラカルボン酸ジエステル化合物は、前記一般式(1)において、R2はメチル基、R3はメチル基であった。
前記と同様の方法にて、温度計、攪拌子、窒素導入管、還流管を備えた4つ口の2000mLフラスコに、1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸二無水物を500g(2.29mol)入れ、エタノール1200.10g(26.05mol)を添加し、窒素気流下にて懸濁した状態で105℃にて加熱還流しながら攪拌を開始した。攪拌開始後に1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸二無水物が溶媒に徐々に溶解されるのが確認され、攪拌開始から約60分ですべて完全に溶解された。さらに攪拌を続けると、一部溶媒に不溶の沈殿物が析出が確認され、攪拌開始後から120分後に加熱を停止し、室温まで冷却して懸濁溶液を得た。その後、エタノールを室温にて真空条件下で揮発させて、白色粉末の生成物を得た。得られた生成物の1H−NMR測定(DMSO−d6溶媒中)より、ジエステル基が互いにシスの位置に存在する1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸ジエチルエステルが約34%存在し、ジエステル基が互いにトランスの位置に存在する1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸ジエチルエステルが約66%存在する異性体の混合物であった。なお、得られた芳香族テトラカルボン酸ジエステル化合物は、前記一般式(1)において、R2はエチル基、R3はエチル基であった。
前記と同様の方法にて、温度計、攪拌子、窒素導入管、還流管を備えた4つ口の2000mLフラスコに、1,2,4,5−テトラカルボン酸二無水物を500g(2.29mol)入れ、2−プロパノール1202.00g(20.00mol)を添加し、窒素気流下にて懸濁した状態で105℃にて加熱還流しながら攪拌を開始した。攪拌開始後に1,2,4,5−テトラカルボン酸二無水物が溶媒に徐々に溶解されるのが確認され、攪拌開始から約180分ですべて完全に溶解された。さらに攪拌を続けると、一部溶媒に不溶の沈殿物の析出が確認され、攪拌開始後から120分後に加熱を停止し、室温まで冷却して懸濁溶液を得た。その後、2−プロパノールを室温にて真空条件下で揮発させて、白色粉末の生成物を得た。得られた生成物の1H−NMR測定(DMSO−d6溶媒中)より、ジエステル基が互いにシスの位置に存在する1,2,4,5−テトラカルボン酸ジイソプロピルエステルが約50%存在し、ジエステル基が互いにトランスの位置に存在する1,2,4,5−テトラカルボン酸ジイソプロピルエステルが約50%存在する異性体の混合物であった。
(製造例4)
前記と同様の方法にて、温度計、攪拌子、窒素導入管、還流管を備えた4つ口の2000mLフラスコに、4−(2−フェニルエチニル)無水フタル酸を600g(2.41mol)入れ、エタノール1200.25g(26.05mol)を添加し、窒素気流下にて懸濁した状態で105℃にて加熱還流しながら攪拌を開始した。攪拌開始後に4−(2−フェニルエチニル)無水フタル酸が溶媒に徐々に溶解されるのが確認され、攪拌開始から約10分ですべて完全に溶解された。さらに攪拌を続け、攪拌開始後から120分後に加熱を停止し、室温まで冷却した。その後、エタノールを室温にて真空条件下で揮発させて、白色粉末の4−(2−フェニルエチニル)フタル酸モノエチルエステルを得た。得られた生成物のDSC測定結果から、融点は130℃に観測された。
なお、得られた4−(2−フェニルエチニル)フタル酸モノエチルエステルは、前記一般式(2)において、R4およびR5は水素原子またはエチル基を表し、いずれか1つがエチル基を表す。
100mLのサンプル瓶中に、(B)2−フェニル−4,4’−ジアミノジフェニルエーテル4.446g(16.1mmol)とメタノール6.8g(212.2mmol)を加えて完全に溶解させた後に、製造例2で作製した(A)1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸ジエチルエステル4.000g(12.9mmol)および製造例4で作製した(C)4−(2−フェニルエチニル)フタル酸モノエチルエステル1.913g(6.5mmol)を入れ、容器内を窒素雰囲気下とした後に密閉し、室温にて懸濁した状態で攪拌を開始した。攪拌開始後にエステル化合物が溶媒に徐々に溶解され始めたのを確認し、攪拌開始後60分で完全に均一に溶解した。その後、攪拌を続け、攪拌開始後から24時間後に攪拌を停止させ、末端変性ポリイミド樹脂原料組成物がメタノールに均一に溶解したワニスを得た。
温度計、攪拌子、窒素導入管を備えた3つ口の100mLフラスコに、2−フェニル−4,4’−ジアミノジフェニルエーテル2.7613g(10mmol)とN−メチル−2−ピロリドン10mLを加え、溶解後、1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸二無水物1.7450g(8mmol)とN−メチル−2−ピロリドン(沸点:約204℃)0.8mLを入れ、窒素気流下、室温で2.5時間、60℃で1.5時間、さらに室温で1時間重合反応させアミド酸オリゴマーを生成した。この反応溶液に4−(2−フェニルエチニル)無水フタル酸0.9929g(4mmol)を入れ、窒素気流下、室温で12時間反応させ末端変性し、続けて195℃で5時間攪拌しイミド結合させた。
温度計、攪拌子、窒素導入管、還流管を備えた4つ口の100mLフラスコに、2−フェニル−4,4’−ジアミノジフェニルエーテル4.905g(17.8mmol)とN−メチル−2−ピロリドン10mLを加え、溶解後、製造例1にて作製した1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸ジメチルエステル4.007g(14.2mmol)および製造例4で作製した4−(2−フェニルエチニル)フタル酸モノエチルエステル1.990g(7.1mmol)およびN−メチル−2−ピロリドン0.8mLを入れ、窒素気流下、60℃で3時間攪拌を行い、アミド酸結合生成反応を行った。その後、窒素気流下、200℃で5時間反応させてイミド結合生成反応を行った。
100mLのサンプル瓶中に、(B)2−フェニル−4,4’−ジアミノジフェニルエーテル4.008g(14.5mmol)と9,9−ビス(4−(4−アミノフェノキシ)フェニル)フルオレン0.562g(1.62mmol)とメタノール7.0g(218.4mmol)を加えて完全に溶解させた後に、製造例2で作製した(A)1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸ジエチルエステル4.000g(12.9mmol)および製造例4で作製した(C)4−(2−フェニルエチニル)フタル酸モノエチルエステル1.913g(6.5mmol)を入れ、容器内を窒素雰囲気下とした後に密閉し、室温にて懸濁した状態で攪拌を開始した。攪拌開始後にエステル化合物が溶媒に徐々に溶解され始めたのを確認し、攪拌開始後60分で完全に均一に溶解した。その後、攪拌を続け、攪拌開始後から24時間後に攪拌を停止させ、末端変性ポリイミド樹脂原料組成物がメタノールに均一に溶解したワニスを得た。
また、前記で得られたワニスを室温条件下で真空乾燥させて末端変性ポリイミド樹脂原料組成物の粉末を得た。この粉末はMeOH−d4に速やかに溶解し、実施例1と同様に、1H−NMR測定を行った結果から、本実施例で作製したメタノール溶液のワニス中で末端変性ポリイミド樹脂原料組成物を構成するすべての成分がイオン錯体(塩)を形成して溶解されていることがわかった。
100mLのサンプル瓶中に、(B)2−フェニル−4,4’−ジアミノジフェニルエーテル3.664g(13.2mmol)と9,9−ビス(4−(4−アミノフェノキシ)フェニル)フルオレン0.514g(1.48mmol)とメタノール6.0g(185.2mmol)を加えて完全に溶解させた後に、製造例2で作製した(A)1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸ジエチルエステル4.000g(12.9mmol)および製造例4で作製した(C)4−(2−フェニルエチニル)フタル酸モノエチルエステル1.060g(3.6mmol)を入れ、容器内を窒素雰囲気下とした後に密閉し、室温にて懸濁した状態で攪拌を開始した。攪拌開始後にエステル化合物が溶媒に徐々に溶解され始めたのを確認し、攪拌開始後60分で完全に均一に溶解した。その後、攪拌を続け、攪拌開始後から24時間後に攪拌を停止させ、末端変性ポリイミド樹脂原料組成物がメタノールに均一に溶解したワニスを得た。
また、前記で得られたワニスを室温条件下で真空乾燥させて末端変性ポリイミド樹脂原料組成物の粉末を得た。この粉末はMeOH−d4に速やかに溶解し、実施例1と同様に、1H−NMR測定を行った結果から、本実施例で作製したメタノール溶液のワニス中で末端変性ポリイミド樹脂原料組成物を構成するすべての成分がイオン錯体(塩)を形成して溶解されていることがわかった。
100mLのサンプル瓶中に、製造例3で作製した1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸ジイソプロピルエステル4.541g(14.00mmol)および製造例4で作製した4−(2−フェニルエチニル)フタル酸モノエチルエステル1.177g(4.00mmol)、エタノール3.4g(73.8mmol)を入れ、容器内を窒素雰囲気下とした後に密閉し、約70℃にて懸濁した状態で攪拌を続けた。攪拌開始後60分後に2−フェニル−4,4’−ジアミノジフェニルエーテル4.421g(16.0mmol)を加えて攪拌を続け、その後、約30分後に攪拌を停止させ、末端変性ポリイミド樹脂原料組成物がエタノールに均一に溶解したワニスを得た。
前記と同様の方法にて、温度計、攪拌子、窒素導入管、還流管を備えた4つ口の2000mLフラスコに、1,2,4,5−テトラカルボン酸二無水物を366.44g(1.68mol)入れ、エタノール89g(1.93mol)と2−プロパノール89g(1.48mol)を添加し、窒素気流下にて懸濁した状態で105℃にて加熱還流しながら攪拌を開始した。攪拌開始後に1,2,4,5−テトラカルボン酸二無水物が溶媒に徐々に溶解されるのが確認され、攪拌開始から約180分ですべて均一に溶解された。
100mLのサンプル瓶中に、(B)2−フェニル−4,4’−ジアミノジフェニルエーテル4.446g(16.1mmol)とアセトン6.8g(117.1mmol)を加えて完全に溶解させた後に、製造例2で作製した(A)1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸ジエチルエステル4.000g(12.9mmol)および製造例4で作製した(C)4−(2−フェニルエチニル)フタル酸モノエチルエステル1.913g(6.5mmol)を入れ、容器内を窒素雰囲気下とした後に密閉し、室温にて懸濁した状態にて撹拌を開始した。撹拌開始後にエステル化合物が溶媒に徐々に溶解され始めたのを確認し、撹拌開始後60分で完全に均一に溶解した。その後、攪拌を続け、攪拌開始後から24時間後に攪拌を停止させ、末端変性ポリイミド樹脂原料組成物がアセトンに均一に溶解したワニスを得た。
100mLのサンプル瓶中に、製造例3で作製した1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸ジイソプロピルエステル4.541g(14.00mmol)および製造例4で作製した4−(2−フェニルエチニル)フタル酸モノエチルエステル1.177g(4.00mmol)、1,4−ジオキサン3.4g(38.6mmol)を入れ、容器内を窒素雰囲気下とした後に密閉し、約70℃にて懸濁した状態で攪拌を続けた。攪拌開始後60分後に2−フェニル−4,4’−ジアミノジフェニルエーテル4.421g(16.0mmol)を加えて攪拌を続け、その後、約30分後に攪拌を停止させ、末端変性ポリイミド樹脂原料組成物がエタノールに均一に溶解したワニスを得た。
温度計、攪拌子、窒素導入管を備えた3つ口の100mLフラスコに、2−フェニル−4,4’−ジアミノジフェニルエーテル3.484g(12.6mmol)と9,9−ビス(4−(4−アミノフェノキシ)フェニル)フルオレン0.488g(1.4mmol)とN−メチル−2−ピロリドン10mLを加え、溶解後、1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸二無水物2.619g(12.0mmol)とN−メチル−2−ピロリドン0.8mLを入れ、窒素気流下、室温で2.5時間、60℃で1.5時間、さらに室温で1時間重合反応させアミド酸オリゴマーを生成した。この反応溶液に4−(2−フェニルエチニル)無水フタル酸0.993g(4mmol)を入れ、窒素気流下、室温で12時間反応させ末端変性し、続けて195℃で5時間攪拌しイミド結合させた。
また、実施例1〜7で得られたワニスを−5℃の冷凍庫中に静置保管し、数ヵ月後に取り出し、室温まで解凍し、溶液状態を確認したところ、沈殿の析出やゲル化は見られなかった。また、GPC測定においては、冷凍保管前後で同一のGPC曲線が得られたことから、本発明で作製したワニスは優れた長期貯蔵安定性を有することがわかった。
また、実施例1〜7で得られたワニスを加熱して得られた固体状のイミド樹脂組成物は、いずれも最低溶融粘度が300℃を超えており優れた高温溶融流動性を備えたものであり、また、成形加工性に優れたものであった。
また、実施例1〜7で得られた固体状のイミド樹脂組成物を溶融させた状態で加熱して高分子量化して得られたフィルム状の成形体は、いずれもTgが300℃を超えており、また、500℃を超える高温でもほとんど熱分解を起こさないことから、極めて高い耐熱性を有したものであり、加えて、高い破断強度および破断伸びを有するものであることがわかる。
また、実施例1〜7で得られたワニスは、比較例1〜3で得られたワニスに比べて、低沸点の有機溶剤を使用していることから、短時間で容易に有機溶剤を系外に除去することができ、優れた熱的物性を有するポリイミド粉末を特別な精製操作(再沈殿)を必要とすることなく簡便に得られることが分かる。
温度計、攪拌子、窒素導入管、還流管を備えた4つ口の1000mLフラスコに、1,2,4,5−テトラカルボン酸二無水物を80.40g(368.6mmol)および4−(2−フェニルエチニル)無水フタル酸26.14g(105.3mmol)を入れ、エタノール109.00g(2.36mol)を添加し、窒素気流下にて懸濁した状態で105℃にて加熱還流しながら攪拌を開始した。攪拌開始後に酸無水物が溶媒に徐々に溶解されるのが確認され、攪拌開始から約60分ですべて完全に溶解された。さらに攪拌を続けると、溶媒に不溶の沈殿物の析出が一部確認され、攪拌開始後から120分後に加熱を停止して室温まで冷却し、懸濁溶液を得た。理論上、この懸濁溶液中には、(A)成分として、1,2,4,5−テトラカルボン酸ジエチルエステルおよび(C)成分として4−(2−フェニルエチニル)フタル酸モノエチルエステルが生成されていた。
その後、この懸濁溶液に2−フェニル−4,4’−ジアミノジフェニルエーテル104.77g(379.1mmol)および9,9−ビス(4−(4−アミノフェノキシ)フェニル)フルオレン14.68g(42.1mmol)およびメタノール17.54g(547.4mmol)を加え、フラスコ内を窒素雰囲気下とした後に密閉し、室温にて懸濁した状態で攪拌を開始した。攪拌開始後に沈殿物が溶媒に徐々に溶解され始めたのを確認し、攪拌開始後60分で完全に均一に溶解した。その後、攪拌を続け、攪拌開始後から24時間後に攪拌を停止させ、末端変性ポリイミド樹脂原料組成物がエタノールとメタノールの混合溶媒に均一に溶解したワニス(固形分濃度:約70重量%)を得た。
製造例5で作製したワニスの一部をあらかじめアセトンにて脱サイジング処理した12.5cm×12.5cmの大きさの東邦テナックス社製「べスファイトIM−600 6K」の平織材(繊維目付195g/m、炭素繊維製)に含浸させて、末端変性ポリイミド樹脂原料組成物が付着したウエットプリプレグを20枚作製した。得られたウエットプリプレグ中に占める末端変性ポリイミド樹脂原料組成物の平均含有量は約46重量%、平均溶媒含有量は約12重量%、炭素繊維の平均含有量は約42重量%であった。
実施例8で作製した末端変性ポリイミド樹脂原料組成物が付着したウエットプリプレグ3枚を循環式のエアーオーブン内にて内部温度200℃で1時間加温することで、プリプレグ中のアルコール成分を除去しながらアミド酸結合生成反応ならびにイミド結合生成反応を行い、末端変性イミドオリゴマーのドライイミドプリプレグを得た。得られたドライイミドプリプレグ中に占める末端変性イミドオリゴマーの平均含有量は約47重量%、炭素繊維の平均含有量は約53重量%であった。
得られたドライイミドプリプレグを目視で外観の検査をしたところ、均一に樹脂が炭素繊維の表面と内部に付着していたことから、樹脂とプリプレグ間の密着性に優れたイミドプリプレグであることがわかった。
30cm×30cmのステンレス板上に、剥離フィルムとしてポリイミドフィルムを置き、その上に実施例8で作製した末端変性ポリイミド樹脂原料組成物のウエットプリプレグ12枚を積層した。さらにポリイミドフィルムとステンレス板を重ね、ホットプレス上、昇温速度約5℃/分で室温から80℃まで加熱し、80℃で1時間加熱した。その後、昇温速度約5℃/分で80℃から200℃まで加熱し、200℃で1時間加熱した。その後、昇温速度約5℃/分で200℃から260℃まで加熱し、260℃で1時間加熱した。その後、1.3MPaの圧力条件下、昇温速度約5℃/分で370℃まで昇温し、そのまま370℃で1時間加熱加圧させた。外観検査から判断して表面が非常に平滑で繊維間に樹脂が均一に含浸された良好な繊維強化複合材料積層板が得られた。得られた積層板のガラス転移温度(DSC)は、356℃に観測され、繊維体積含有率(Vf)は0.48であり、樹脂含有量は37wt%であった。
なお、DMA測定やTGA測定を用いることで、得られた繊維強化複合材料積層板において、ワニス含まれていたエタノールとメタノールなどの低沸点の有機溶剤は前記加熱処理により完全に除去されていることを確認した。
得られた繊維強化複合材料積層板は、ガラス転移温度が300℃を超えることから耐熱性に優れたものであり、また、3点曲げ法によるショートビームシェア試験による相間せん断強度が約70MPaの値を示したことから機械特性にも優れることがわかる。
また、前記積層板の内部を超音波深傷検査や光学顕微鏡を使用した断面観察で観察したところ、空隙がなかったことから、極めて高品質の繊維強化複合材料であることがわかる。
100mLのサンプル瓶中に、p−フェニレンジアミン1.741g(16.1mmol)とメタノール6.8g(212.2mmol)を加えて完全に溶解させた後に、製造例2で作製した1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸ジエチルエステル4.000g(12.9mmol)および製造例4で作製した4−(2−フェニルエチニル)フタル酸モノエチルエステル1.913g(6.5mmol)を入れ、容器内を窒素雰囲気下とした後に密閉し、室温にて懸濁した状態で攪拌を開始した。攪拌開始後にエステル化合物が溶媒に徐々に溶解され始めたのを確認し、攪拌開始後60分で完全に均一に溶解した。その後、攪拌を続け、攪拌開始後から24時間後に攪拌を停止させ、末端変性ポリイミド樹脂原料組成物がメタノールに均一に溶解したワニスを得た。
硬化前の粉末状の末端変性イミドオリゴマーは、300℃以上に加熱しても溶融せず、硬化樹脂フィルムを得ることはできなかった。
100mLのサンプル瓶中に、1,3−ビス(4−アミノフェノキシ)ベンゼン4.707g(16.1mmol)とメタノール6.8g(212.2mmol)を加えて完全に溶解させた後に、製造例2で作製した1,2,4,5−ベンゼンテトラカルボン酸ジエチルエステル4.000g(12.9mmol)および製造例4で作製した4−(2−フェニルエチニル)フタル酸モノエチルエステル1.913g(6.5mmol)を入れ、容器内を窒素雰囲気下とした後に密閉し、室温にて懸濁した状態で攪拌を開始した。攪拌開始後にエステル化合物が溶媒に徐々に溶解され始めたのを確認し、攪拌開始後60分で完全に均一に溶解した。その後、攪拌を続け、攪拌開始後から24時間後に攪拌を停止させ、末端変性ポリイミド樹脂原料組成物がメタノールに均一に溶解したワニスを得た。
硬化前の粉末状の末端変性イミドオリゴマーは、300℃以上に加熱しても溶融せず、硬化樹脂フィルムを得ることはできなかった。
Claims (8)
- 以下の(A)〜(D)成分を含み、(A)、(B)および(C)成分が、溶解した状態で含まれているワニス。
(A)一般式(1)で表される芳香族テトラカルボン酸ジエステル類、1〜500重量部、
(B)2−フェニル−4,4’−ジアミノジフェニルエーテル、1〜450重量部、
(C)一般式(2)で表される4−(2−フェニルエチニル)フタル酸モノエステル、1〜400重量部、
(D)1気圧での沸点が150℃以下である有機溶剤、または2種類以上の前記有機溶剤の混合物、100重量部
- 2−フェニル−4,4’−ジアミノジフェニルエーテルと2種類以上の2価の芳香族ジアミンを併用してなる請求項1に記載のワニス。
- 請求項1または2に記載のワニスを炭素繊維に含浸させてなるプリプレグ。
- 炭素繊維がポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維である、請求項3に記載のプリプレグ。
- プリプレグを構成する炭素繊維材料が平織材である、請求項3または4に記載のプリプレグ。
- 芳香族テトラカルボン酸無水物、4−(2−フェニルエチニル)無水フタル酸を1気圧での沸点が150℃以下である有機溶剤であるメタノール、エタノール、2−プロパノール又は1−プロパノールに溶解させた状態で加熱することにより、前記一般式(1)で表される芳香族テトラカルボン酸ジエステル類と前記一般式(2)で表される4−(2−フェニルエチニル)フタル酸モノエステル類を含む溶液を調製し、さらに2−フェニル−4,4’−ジアミノジフェニルエーテルを含むジアミン類を添加して、均一に溶解してなる請求項1に記載のワニスの製造方法。
- 請求項3に記載のプリプレグを、140〜275℃で5分〜24時間加熱する、イミドプリプレグの製造方法。
- 請求項7に記載の製造方法で得られるイミドプリプレグを重ねて、オートクレーブまたはホットプレスを用いて、80〜500℃の温度かつ1〜1000kg/cm2の圧力で10分〜40時間加熱硬化させる、繊維強化複合材料の製造方法。
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