JP6642768B2 - ガラス状液晶性エポキシ樹脂及びガラス状液晶性エポキシ樹脂組成物の製造方法、液晶性エポキシ樹脂及び液晶性エポキシ樹脂組成物の保存方法、ガラス状液晶性エポキシ樹脂及びガラス状液晶性エポキシ樹脂組成物、液晶性エポキシ樹脂及び液晶性エポキシ樹脂組成物、並びにエポキシ樹脂硬化物の製造方法 - Google Patents
ガラス状液晶性エポキシ樹脂及びガラス状液晶性エポキシ樹脂組成物の製造方法、液晶性エポキシ樹脂及び液晶性エポキシ樹脂組成物の保存方法、ガラス状液晶性エポキシ樹脂及びガラス状液晶性エポキシ樹脂組成物、液晶性エポキシ樹脂及び液晶性エポキシ樹脂組成物、並びにエポキシ樹脂硬化物の製造方法 Download PDFInfo
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Description
本発明は上記状況に鑑み、取り扱い性に優れるガラス状液晶性エポキシ樹脂及びガラス状液晶性エポキシ樹脂組成物の製造方法、液晶性エポキシ樹脂及び液晶性エポキシ樹脂組成物の保存方法、ガラス状液晶性エポキシ樹脂及びガラス状液晶性エポキシ樹脂組成物、液晶性エポキシ樹脂及び液晶性エポキシ樹脂組成物、並びにエポキシ樹脂硬化物の製造方法を提供することを課題とする。
<1>液晶性エポキシ樹脂を冷却してガラス状態に転移させる工程を備える、ガラス状液晶性エポキシ樹脂の製造方法。
<2>液晶性エポキシ樹脂と硬化剤とを含む液晶性エポキシ樹脂組成物を冷却してガラス状態に転移させる工程を備える、ガラス状液晶性エポキシ樹脂組成物の製造方法。
<3>前記液晶性エポキシ樹脂が、ガラス状液晶性エポキシ樹脂を加熱して得られる液状の液晶性エポキシ樹脂である、<1>に記載のガラス状液晶性エポキシ樹脂組成物の製造方法。
<4>前記ガラス状液晶性エポキシ樹脂又は前記ガラス状液晶性エポキシ樹脂組成物がネマチック構造を有する、<1>に記載のガラス状液晶性エポキシ樹脂の製造方法又は<2>若しくは<3>に記載のガラス状液晶性エポキシ樹脂組成物の製造方法。
<5>0℃以上でガラス状態に転移させる、<1>に記載のガラス状液晶性エポキシ樹脂の製造方法又は<2>若しくは<3>に記載のガラス状液晶性エポキシ樹脂組成物の製造方法。
<6>液晶性エポキシ樹脂を冷却してガラス状態に転移させる工程を備える、液晶性エポキシ樹脂の保存方法。
<7>液晶性エポキシ樹脂と、硬化剤とを含む液晶性エポキシ樹脂組成物を冷却してガラス状態に転移させる工程を備える、液晶性エポキシ樹脂組成物の保存方法。
<8>液晶構造を有する、ガラス状液晶性エポキシ樹脂。
<9>液晶性エポキシ樹脂と硬化剤とを含み、液晶構造を有する、ガラス状液晶性エポキシ樹脂組成物。
<10>ガラス状態に転移可能である、液晶性エポキシ樹脂。
<11>示差走査熱量測定(DSC)により得られるヒートフロー曲線上に変曲点が存在する、液晶性エポキシ樹脂。
<12>液晶性エポキシ樹脂と硬化剤とを含み、ガラス状態に転移可能である、液晶性エポキシ樹脂組成物。
<13>液晶性エポキシ樹脂と硬化剤とを含み、示差走査熱量測定(DSC)により得られるヒートフロー曲線上に変曲点が存在する、液晶性エポキシ樹脂組成物。
<14><1>に記載の方法により製造されるガラス状液晶性エポキシ樹脂、<2>若しくは<3>に記載の方法により製造されるガラス状液晶性エポキシ樹脂組成物、<8>に記載のガラス状液晶性エポキシ樹脂、又は<9>に記載のガラス状液晶性エポキシ樹脂組成物を、前記ガラス状液晶性エポキシ樹脂又は前記ガラス状液晶性エポキシ樹脂組成物が硬化反応を生じる温度で加熱する工程を備える、エポキシ樹脂硬化物の製造方法。
本開示において「〜」を用いて示された数値範囲には、「〜」の前後に記載される数値がそれぞれ最小値及び最大値として含まれる。
本開示中に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本開示中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
本開示において各成分は該当する物質を複数種含んでいてもよい。組成物中に各成分に該当する物質が複数種存在する場合、各成分の含有率又は含有量は、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の物質の合計の含有率又は含有量を意味する。
本開示において各成分に該当する粒子は複数種含んでいてもよい。組成物中に各成分に該当する粒子が複数種存在する場合、各成分の粒子径は、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の粒子の混合物についての値を意味する。
本開示において「層」との語には、当該層が存在する領域を観察したときに、当該領域の全体に形成されている場合に加え、当該領域の一部にのみ形成されている場合も含まれる。
本開示のガラス状液晶性エポキシ樹脂の製造方法は、液晶性エポキシ樹脂を冷却してガラス状態に転移させる工程(冷却工程)を備える。
本開示のガラス状液晶性エポキシ樹脂組成物の製造方法は、液晶性エポキシ樹脂と硬化剤とを含む液晶性エポキシ樹脂組成物を冷却してガラス状態に転移させる工程(冷却工程)を備える。
本開示のガラス状液晶性エポキシ樹脂組成物の製造方法の詳細については、上述したガラス状液晶性エポキシ樹脂の製造方法に関する記載において「ガラス状液晶性エポキシ樹脂」を「ガラス状液晶性エポキシ樹脂組成物」に読み替えたうえで参照できる。
本開示の液晶性エポキシ樹脂の保存方法は、液晶性エポキシ樹脂を冷却してガラス状態に転移させる工程(冷却工程)を備える。
本開示の液晶性エポキシ樹脂組成物の保存方法は、液晶性エポキシ樹脂と、硬化剤とを含む液晶性エポキシ樹脂組成物を冷却してガラス状態に転移させる工程(冷却工程)を備える。
本開示のガラス状液晶性エポキシ樹脂は、液晶構造を有する。
本開示のガラス状液晶性エポキシ樹脂組成物は、液晶性エポキシ樹脂と、硬化剤とを含み、液晶構造を有する。
本開示の液晶性エポキシ樹脂は、ガラス状態に転移可能である。
液晶性エポキシ樹脂がガラス状態に転移可能であるか否かは、液晶性エポキシ樹脂がガラス転移点(Tg)を有するか否かによって確認することができる。液晶性エポキシ樹脂がガラス転移点(Tg)を有するか否かは、例えば、示差走査熱量測定(DSC)により得られるヒートフロー曲線上に変曲点が存在するか否かによって確認することができる。DSCの詳細については、上述したガラス状液晶性エポキシ樹脂の製造方法における詳細を参照することができる。
・X線源:Cu
・X線出力:50kV、250mA
・発散スリット(DS):1.0°
・散乱スリット(SS):1.0°
・受光スリット(RS):0.3mm
・走査速度:1.0°/分
ここで、dは1周期の長さ、θは回折角度、nは反射次数、λはX線波長(0.15406nm)をそれぞれ示す。
ジアミノベンゼン化合物としては、1,2−ジアミノベンゼン、1,3−ジアミノベンゼン、1,4−ジアミノベンゼン、これらの誘導体等が挙げられる。
ジヒドロキシビフェニル化合物としては、3,3’−ジヒドロキシビフェニル、3,4’−ジヒドロキシビフェニル、4,4’−ジヒドロキシビフェニル、これらの誘導体等が挙げられる。
ジアミノビフェニル化合物としては、3,3’−ジアミノビフェニル、3,4’−ジアミノビフェニル、4,4’−ジアミノビフェニル、これらの誘導体等が挙げられる。
上記化合物の誘導体としては、各化合物のベンゼン環に炭素数1〜8のアルキル基等の置換基が結合した化合物が挙げられる。
液晶性エポキシ化合物とプレポリマー化剤の配合比は、例えば、液晶性エポキシ化合物全体のエポキシ基数とプレポリマー化剤全体の官能基数の比(エポキシ基数/官能基数)が100/5〜100/50となる配合比であってもよく、100/10〜100/30となる配合比であってもよい。
本開示の液晶性エポキシ樹脂組成物は、液晶性エポキシ樹脂と、硬化剤とを含み、ガラス状態に転移可能である。
液晶性エポキシ樹脂の全固形分に対する含有率(体積%)={(Aw/Ad)/((Aw/Ad)+(Bw/Bd)+(Cw/Cd)}×100
ここで、各変数は以下の通りである。
Aw:液晶性エポキシ樹脂の質量組成比(質量%)
Bw:硬化剤の質量組成比(質量%)
Cw:その他の任意成分(溶媒を除く)の質量組成比(質量%)
Ad:液晶性エポキシ樹脂の比重
Bd:硬化剤の比重
Cd:その他の任意成分(溶媒を除く)の比重
液晶性エポキシ樹脂組成物に含まれる硬化剤は、液晶性エポキシ樹脂と硬化反応しうる化合物であれば特に制限されない。
硬化剤の具体例としては、アミン硬化剤、酸無水物硬化剤、フェノール硬化剤、ポリメルカプタン硬化剤、ポリアミノアミド硬化剤、イソシアネート硬化剤、ブロックイソシアネート硬化剤等が挙げられる。硬化剤は1種を単独で用いても、2種以上を併用してもよい。
具体的には、例えば、液晶性エポキシ樹脂全体のエポキシ基数に対する硬化剤全体の官能基数(アミン硬化剤の場合は活性水素数)の比(官能基数/エポキシ基数)が0.005〜5となる量であることが好ましく、0.01〜3となる量であることがより好ましく、0.5〜1.5となる量であることがさらに好ましい。
硬化剤の量が、液晶性エポキシ樹脂全体のエポキシ基数に対する硬化剤全体の官能基数の比が0.005以上となる量であると液晶性エポキシ樹脂の硬化速度が向上する傾向にあり、5以下となる量であると硬化反応をより適切に制御できる傾向にある。
液晶性エポキシ樹脂組成物は、フィラーを含有してもよい。フィラーとしては、強度、及び靭性の観点から、炭素繊維、セラミックス繊維、ゴム繊維、炭素粒子、セラミックス粒子、ゴム粒子等を用いることができる。
フィラーの含有率は、液晶性エポキシ樹脂組成物の全固形分中に10質量%以上であることが好ましく、20質量%〜90質量%であることがより好ましく、30質量%〜80質量%であることがさらに好ましい。
液晶性エポキシ樹脂組成物は、液晶性エポキシ化合物以外のその他のエポキシ化合物をさらに含有していてもよい。その他のエポキシ化合物としては、ビスフェノールA、ビスフェノールF、ビスフェノールS、フェノールノボラック、クレゾールノボラック、レゾルシノールノボラック等のフェノール化合物のグリシジルエーテル;ブタンジオール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール等のアルコール化合物のグリシジルエーテル;フタル酸、イソフタル酸、テトラヒドロフタル酸等のカルボン酸化合物のグリシジルエステル;アニリン、イソシアヌル酸等の窒素原子に結合した活性水素をグリシジル基で置換したもの;分子内のオレフィン結合をエポキシ化して得られるビニルシクロヘキセンエポキシド、3,4−エポキシシクロヘキシルメチル−3,4−エポキシシクロヘキサンカルボキシレート、2−(3,4−エポキシ)シクロヘキシル−5,5−スピロ(3,4−エポキシ)シクロヘキサン−m−ジオキサン等の脂環型エポキシ化合物;ビス(4−ヒドロキシ)チオエーテルのエポキシ化物;パラキシリレン変性フェノール樹脂、メタキシリレンパラキシリレン変性フェノール樹脂、テルペン変性フェノール樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂、シクロペンタジエン変性フェノール樹脂、多環芳香環変性フェノール樹脂、ナフタレン環含有フェノール樹脂等のフェノール樹脂のグリシジルエーテル;スチルベン型エポキシ化合物;ハロゲン化フェノールノボラック型エポキシ化合物など(但し、これらのうち液晶性エポキシ化合物に該当するものを除く)が挙げられる。液晶性エポキシ化合物以外のその他のエポキシ化合物は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
エポキシ樹脂組成物は、硬化促進剤、サイジング材、カップリング剤、分散剤、エラストマー、溶剤等を必要に応じてさらに含んでもよい。エポキシ樹脂組成物が溶剤を含む場合、硬化物中にスメクチック構造を効果的に形成する観点からは、溶剤の含有量は少ないほど好ましい。具体的には、例えば、エポキシ樹脂組成物全体の溶剤の含有率が10質量%以下であることが好ましく、1質量%以下であることがより好ましく、0.1質量%以下であることが更に好ましい。
本開示の液晶性エポキシ樹脂硬化物の製造方法は、上述したガラス状液晶性エポキシ樹脂又はガラス状液晶性エポキシ樹脂組成物を、前記ガラス状液晶性エポキシ樹脂又は前記ガラス状液晶性エポキシ樹脂組成物が硬化反応を生じる温度で加熱する工程(硬化工程)を備える。
複合材料に含まれる強化材の材質は特に制限されず、複合材料の用途等に応じて選択できる。強化材として具体的には、ガラス、芳香族ポリアミド系樹脂(例えば、ケブラー(登録商標))、超高分子量ポリエチレン、アルミナ、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、マイカ、シリコン等が挙げられる。強化材の形状は特に制限されず、繊維状、粒子状(フィラー)等が挙げられる。複合材料に含まれる強化材は、1種のみでも2種以上であってもよい。
(液晶性エポキシ樹脂の調製とガラス転移可否の評価)
液晶性を有するエポキシ化合物1(4−{4−(2,3−エポキシプロポキシ)フェニル}シクロヘキシル=4−(2,3−エポキシプロポキシ)ベンゾエート、一般式(I)で表される化合物)と、プレポリマー化剤として4,4−ビフェノールとをモル比(エポキシ化合物1/プレポリマー化剤)を10/2.5として予め反応させ、プレポリマーの状態の液晶性エポキシ樹脂(以下、「樹脂1」ともいう)を作製した。
樹脂1がガラス状態に転移可能か否かを調べるために、DSCを実施した。具体的には、樹脂1を180℃まで昇温した後に、冷却速度を1℃/分、5℃/分、10℃/分又は200℃/分として−20℃まで冷却した後、−20℃から180℃まで10℃/分で昇温したときに得られるヒートフロー曲線上の変曲点(ガラス転移点)の有無を調べた。冷却時と昇温時の少なくとも一方のヒートフロー曲線上に変曲点が認められた場合をA、認められなかった場合をBとして表1に示す。また、得られたヒートフロー曲線を図1(a)〜(d)に示す。図1(a)〜(d)に示すように、いずれの場合も冷却時と昇温時の少なくとも一方のヒートフロー曲線上に変曲点が認められた。
樹脂1の−20℃での相構造を、クロスニコル下で偏光顕微鏡で観察して調べた。結果を表1に示す。
樹脂1(冷却速度200℃/分で−20℃まで冷却後、180℃まで昇温)に硬化剤(3,3−ジアミノジフェニルスルホン)を加えてエポキシ樹脂組成物を調製した。硬化剤の量は、樹脂1全体のエポキシ基数と硬化剤全体の活性水素数との比が1:1となるように調整した。このエポキシ樹脂組成物を180℃で2時間加熱することにより、硬化物を作製した。
エポキシ樹脂組成物を80℃に加熱した状態で、溶剤等を使用せずに基材に塗工する試験を行った。10回の塗工において8回以上の塗工が可能である場合をA、6回又は7回の塗工が可能である場合をB、1回〜5回の塗工が可能である場合をC、溶剤等を使用しないと塗工ができないものをDと判定した。結果を表1に示す。
エポキシ樹脂組成物の硬化物を3.75mm×7.5mm×33mmの直方体に切り出し、破壊靱性の評価用の試験片を作製した。この試験片について、ASTM D5045に基づいて3点曲げ測定を行って破壊靱性値(MPa・m1/2)を算出した。評価装置としては、曲げ試験機(インストロン5948、インストロン社)を用いた。結果を表1に示す。
エポキシ樹脂組成物の硬化物中におけるスメクチック構造の有無と周期長の長さ(nm)を上述した方法で調べた。結果を表1に示す。
樹脂1(冷却速度10℃/分で−20℃まで冷却後、180℃まで昇温)を用いたこと以外は実施例1と同様にしてエポキシ樹脂組成物を調製し、硬化物を作製した。
樹脂1のガラス転移の可否と−20℃での相構造、エポキシ樹脂組成物の成形性、並びに硬化物の破壊靭性値、スメクチック構造の有無及び周期長を表1に示す。
樹脂1(冷却速度5℃/分で−20℃まで冷却後、180℃まで昇温)を用いたこと以外は実施例1と同様にしてエポキシ樹脂組成物を調製し、硬化物を作製した。
樹脂1のガラス転移の可否と−20℃での相構造、エポキシ樹脂組成物の成形性、並びに硬化物の破壊靭性値、スメクチック構造の有無及び周期長を表1に示す。
樹脂1(冷却速度1℃/分で−20℃まで冷却後、180℃まで昇温)を用いたこと以外は実施例1と同様にしてエポキシ樹脂組成物を調製し、硬化物を作製した。
樹脂1のガラス転移の可否と−20℃での相構造、エポキシ樹脂組成物の成形性、並びに硬化物の破壊靭性値、スメクチック構造の有無及び周期長を表1に示す。
エポキシ化合物1を、液晶性を有するエポキシ化合物2(1−(3−メチル−4−オキシラニルメトキシフェニル)−4−(オキシラニルメトキシフェニル)−1−シクロヘキセン)に変更してプレポリマー(樹脂2、冷却速度10℃/分で−20℃まで冷却後、180℃まで昇温)を調製したこと以外は実施例1と同様にしてエポキシ樹脂組成物を調製し、硬化物を作製した。
樹脂2のガラス転移の可否と−20℃での相構造、エポキシ樹脂組成物の成形性、並びに硬化物の破壊靭性値、スメクチック構造の有無及び周期長を表1に示す。
エポキシ化合物1とプレポリマー化剤と反応させなかったもの(樹脂3、冷却速度200℃/分で−20℃まで冷却後、180℃まで昇温)を用いたこと以外は実施例1と同様にしてエポキシ樹脂組成物を調製し、硬化物を作製した。
樹脂3のガラス転移の可否と−20℃での相構造、エポキシ樹脂組成物の成形性、並びに硬化物の破壊靭性値、スメクチック構造の有無及び周期長を表1に示す。
樹脂1の代わりに液晶性を有しないビスフェノールA型エポキシ樹脂(三菱ケミカル株式会社の「jER828」、樹脂4、冷却速度200℃/分で−20℃まで冷却後、180℃まで昇温))を用いたこと以外は実施例1と同様にしてエポキシ樹脂組成物を調製し、硬化物を作製した。
樹脂4の−20℃での相構造、エポキシ樹脂組成物の成形性、並びに硬化物の破壊靭性値、スメクチック構造の有無及び周期長を表1に示す。なお、樹脂4は液晶性を示さないことからDSCによる評価は実施しなかった。
樹脂4の冷却速度を10℃/分としたこと以外は比較例2と同様にしてエポキシ樹脂組成物を調製し、硬化物を作製した。
樹脂4の−20℃での相構造、エポキシ樹脂組成物の成形性、並びに硬化物の破壊靭性値、スメクチック構造の有無及び周期長を表1に示す。
Claims (10)
- 液晶性エポキシ樹脂を冷却してガラス状態に転移させる工程を備え、ガラス状態に転移するときの温度が50℃以下である、ガラス状液晶性エポキシ樹脂の製造方法。
- 液晶性エポキシ樹脂と硬化剤とを含む液晶性エポキシ樹脂組成物を冷却してガラス状態に転移させる工程を備え、ガラス状態に転移するときの温度が50℃以下である、ガラス状液晶性エポキシ樹脂組成物の製造方法。
- 前記液晶性エポキシ樹脂が、ガラス状液晶性エポキシ樹脂を加熱して得られる液状の液晶性エポキシ樹脂である、請求項2に記載のガラス状液晶性エポキシ樹脂組成物の製造方法。
- 前記ガラス状液晶性エポキシ樹脂又は前記ガラス状液晶性エポキシ樹脂組成物がネマチック構造を有する、請求項1に記載のガラス状液晶性エポキシ樹脂の製造方法又は請求項2若しくは請求項3に記載のガラス状液晶性エポキシ樹脂組成物の製造方法。
- 0℃以上でガラス状態に転移させる、請求項1に記載のガラス状液晶性エポキシ樹脂の製造方法又は請求項2若しくは請求項3に記載のガラス状液晶性エポキシ樹脂組成物の製造方法。
- 液晶性エポキシ樹脂を冷却してガラス状態に転移させる工程を備える、液晶性エポキシ樹脂の保存方法。
- 液晶性エポキシ樹脂と、硬化剤とを含む液晶性エポキシ樹脂組成物を冷却してガラス状態に転移させる工程を備える、液晶性エポキシ樹脂組成物の保存方法。
- 液晶構造を有し、ガラス状態に転移するときの温度が50℃以下である、ガラス状液晶性エポキシ樹脂。
- 液晶性エポキシ樹脂と硬化剤とを含み、液晶構造を有し、ガラス状態に転移するときの温度が50℃以下である、ガラス状液晶性エポキシ樹脂組成物。
- 請求項1に記載の方法により製造されるガラス状液晶性エポキシ樹脂、請求項2若しくは請求項3に記載の方法により製造されるガラス状液晶性エポキシ樹脂組成物、請求項8に記載のガラス状液晶性エポキシ樹脂、又は請求項9に記載のガラス状液晶性エポキシ樹脂組成物を、前記ガラス状液晶性エポキシ樹脂又は前記ガラス状液晶性エポキシ樹脂組成物が硬化反応を生じる温度で加熱する工程を備える、エポキシ樹脂硬化物の製造方法。
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