JP6903897B2 - エポキシ樹脂組成物、並びにこれを用いた成形品、プリプレグ及び繊維強化プラスチック - Google Patents
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Description
特許文献1においては、マトリックス樹脂として用いられているエポキシ樹脂組成物の詳細が明らかにされていない。特許文献2〜4には、各種エポキシ樹脂組成物をマトリックス樹脂として使用した例が記載されているが、これらを用いた繊維強化プラスチックは、特に曲げ強度が充分ではなかった。
[1] 下記成分(A)、(B)、(C)及び(D)を含むエポキシ樹脂組成物。
成分(A):オキサゾリドン骨格含有エポキシ樹脂
成分(B):成分(A)以外のエポキシ樹脂
成分(C):硬化剤
成分(D):セルロースナノファイバー
[2] 前記成分(B)が、エポキシ当量が350以上のエポキシ樹脂及び/又はエポキシ当量が350未満のエポキシ樹脂である、[1]に記載のエポキシ樹脂組成物。
[3] 硬化剤(C)がジシアンジアミド、ウレア類、イミダゾール類、芳香族アミン類の中から選ばれる少なくとも1種である、[1]又は[2]に記載のエポキシ樹脂組成物。
[4] 前記成分(A)を全エポキシ樹脂100質量部中5質量部以上80質量部以下含む、[1]〜[3]のいずれか一項に記載のエポキシ樹脂組成物。
[5] 前記成分(B)を全エポキシ樹脂100質量部中20質量部以上95質量部以下含む、[1]〜[4]のいずれか一項に記載のエポキシ樹脂組成物。
[6] 前記成分(D)を本発明のエポキシ樹脂組成物に含まれる全エポキシ樹脂100質量部に対し、0.1〜15質量部含む、[1]〜[5]のいずれか一項に記載のエポキシ樹脂組成物。
[7] 硬化物の曲げ強度が135MPa以上、弾性率が3.3GPa以上、破断伸度が8.5%以上である、[1]〜[6]のいずれか一項に記載のエポキシ樹脂組成物。
[8] さらに、成分(E)として熱可塑性樹脂を含む、[1]〜[7]のいずれか一項に記載のエポキシ樹脂組成物。
[9] 前記成分(E)を全エポキシ樹脂100質量部に対して1質量部以上20質量部以下含む、[8]に記載のエポキシ樹脂組成物。
[10] [1]〜[9]のいずれか一項に記載のエポキシ樹脂組成物の硬化物からなる成形品。
[11] [1]〜[9]のいずれか一項に記載のエポキシ樹脂組成物が強化繊維に含浸されたプリプレグ。
[12] [1]〜[9]のいずれか一項に記載のエポキシ樹脂組成物の硬化物と強化繊維とからなる繊維強化プラスチック。
[13] 層間せん断強度が90MPa以上である、[12]に記載の繊維強化プラスチック。
[14] 管状である[12]又は[13]に記載の繊維強化プラスチック。
なお、本発明において、「エポキシ樹脂」とは、1分子内に2個以上のエポキシ基を有する化合物を意味する。
また、「エポキシ樹脂組成物」という用語は、エポキシ樹脂と、硬化剤と、硬化促進剤と、場合により熱可塑性樹脂やその他の添加剤とを含む組成物を意味する。すなわち、本発明のエポキシ樹脂組成物は、前記成分(A)、成分(B)、成分(C)および成分(D)を含み、さらに前記成分(E)やその他添加剤を含んでも良い。
また、本発明において、エポキシ樹脂組成物を硬化して得られる硬化物を「樹脂硬化物」と称し、その中でも特に板状の硬化物を「樹脂板」と称することがある。
成分(A)は、オキサゾリドン骨格含有エポキシ樹脂である。
オキサゾリドン骨格含有エポキシ樹脂は、これを含むエポキシ樹脂組成物を含むプリプレグの常温での作業性を良好にし、また前記エポキシ樹脂組成物の硬化物の弾性率、耐熱性および強化繊維や成分(D)との接着性を高める。
前記成分(A)としては、上述のようなエポキシ樹脂を2種以上併用しても構わない。
成分(B)は、成分(A)以外のエポキシ当量が350以上のエポキシ樹脂及び/又はエポキシ当量が350未満のエポキシ樹脂である。
また、エポキシ当量が350以上のエポキシ樹脂は成分(B)中、5質量部以上60質量部以下とするのが好ましい。エポキシ当量が350以上のエポキシ樹脂が5質量部以上であれば樹脂硬化物に適当な靱性と耐衝撃性を付与することができる傾向にある。60質量部以下であれば、樹脂硬化物に適当な弾性率と耐熱性を付与することができる傾向にある。より好ましくは10質量部以上55質量部以下である。
さらに、エポキシ当量が350未満のエポキシ樹脂は成分(B)中、15質量部以上90質量部以下とするのが好ましい。エポキシ当量が350未満のエポキシ樹脂が15質量部以上であれば、エポキシ樹脂組成物には適当な粘度を付与することができるとともに、樹脂硬化物には適当な弾性率と耐熱性を付与することができる傾向にある。90質量部以下であれば、樹脂硬化物に適当な靱性と耐衝撃性を付与することができる傾向にある。より好ましくは20質量部以上85質量部以下である。
エポキシ樹脂の市販品としては、例えばjER807(エポキシ当量170g/eq)、jER4004P(エポキシ当量908g/eq)、jER4005P(エポキシ当量1070g/eq)、jER4007P(エポキシ当量2270g/eq)、jER4010P(エポキシ当量4400g/eq)、jER828(エポキシ当量189g/eq)、jER1001(エポキシ当量475g/eq)、jER1002(エポキシ当量650g/eq)、jER1004(エポキシ当量925g/eq)、jER1007(エポキシ当量1975g/eq)、jER1009(エポキシ当量2850g/eq)、jER604(エポキシ当量120g/eq)、jER630(エポキシ当量98g/eq)、jER1032H60(エポキシ当量169g/eq)、jER152(エポキシ当量175g/eq)、jER154(エポキシ当量178g/eq)、YX−7700(エポキシ当量273g/eq)、YX−4000(エポキシ当量186g/eq)(以上、三菱化学株式会社製);YDF−2001(エポキシ当量475g/eq)、YDF−2004(エポキシ当量950g/eq)(以上、KUKDO CHEMICAL社製);GAN(エポキシ当量125g/eq)、GOT(エポキシ当量135g/eq)、NC−2000(エポキシ当量241g/eq)、NC−3000(エポキシ当量275g/eq)(以上、日本化薬株式会社製);YDPN−638(エポキシ当量180g/eq)、TX−0911(エポキシ当量172g/eq)(以上、新日鉄住金化学株式会社製)、Epon165(エポキシ当量230g/eq)(以上、モメンティブスペシャリティケミカルズ社製);MY−0500(エポキシ当量110g/eq)、MY−0600(エポキシ当量106g/eq)、ECN−1299(エポキシ当量230g/eq)(以上、ハンツマンジャパン株式会社製);HP−4032(エポキシ当量150g/eq)、HP−4700(エポキシ当量162g/eq)、HP−7200(エポキシ当量265g/eq)(以上、DIC株式会社製)等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
成分(C)は、硬化剤である。成分(C)として用いられる硬化剤としては、例えば、ジシアンジアミド、ウレア類、イミダゾール類、芳香族アミン類、その他アミン系硬化剤、酸無水物、塩化ホウ素アミン錯体等を用いることができるが、特にジシアンジミド、ウレア類、イミダゾール類、芳香族アミン類の中から選ばれる少なくとも1種の硬化剤を用いるのが好ましい。また、成分(C)としては、平均粒子径の小さい硬化剤を用いるのが好ましい。これは、平均粒子径が小さいものほど、硬化時における硬化剤のエポキシ樹脂への溶解性が良好となるため、得られる樹脂硬化物や繊維強化プラスチックの機械物性が向上する傾向にあるためである。また、硬化剤が未溶解のまま樹脂硬化物や繊維強化プラスチック中に残存する場合でも、これが樹脂硬化物や繊維強化プラスチックの破壊の起点となりにくくなる傾向にあるためである。
ジシアンジアミドの市販品としては、例えばDICY7、DICY15(以上、三菱化学社製)等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
これらは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
DCMUの市販品としては、例えばDCMU−99(以上、保土谷化学工業社製)等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
MBPDMUの市販品としては、例えばTechnicure MDU−11(以上、A&C Catalysts社製);Omicure(オミキュア)52(以上、ピイ・ティ・アイ・ジャパン株式会社製)等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
PDMUの市販品としては、例えばOmicure(オミキュア)94(以上、ピイ・ティ・アイ・ジャパン株式会社製)等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
TBDMUの市販品としては、例えばOmicure(オミキュア)24(以上、ピイ・ティ・アイ・ジャパン株式会社製)、U−CAT 3512T(サンアプロ株式会社製)等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
脂肪族ジメチルウレアの市販品としては、例えばU−CAT 3513N(サンアプロ株式会社製)等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
これらは、その構造の中に非共有電子対を有する窒素原子を有し、これが成分(A)や成分(B)のエポキシ基を活性化させたり、さらにその他併用する成分(C)をも活性化させたりすることができ、硬化や硬化を促進することができる。
イミダゾールの市販品としては2E4MZ、2P4MZ、2PZ−CN、C11Z−CNS、C11Z−A、2MZA−PW、2MA−OK、2P4MHZ−PW、2PHZ−PW(以上、四国化成工業社製)等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
4,4’−ジアミノジフェニルスルホンの市販品としてはセイカキュアS(和歌山精化工業(株)製)、スミキュアS(住友化学(株)製)等が、3,3’−ジアミノジフェニルスルホンの市販品としては3,3’−DAS(三井化学ファイン(株)製)等が挙げられるが、これらに限られるものではない。その他芳香族アミン類の市販品としては、MDA−220(三井化学(株)製)、“jERキュア(登録商標)”W(ジャパンエポキシレジン(株)製)、Lonzacure(登録商標)M−DEA(Lonza(株)製)、“Lonzacure(登録商標)”M−DIPA(Lonza(株)製)、“Lonzacure(登録商標)”M−MIPA(Lonza(株)製)および“Lonzacure(登録商標)”DETDA 80(Lonza(株)製)等が挙げられるが、これらに限られるものではない。
成分(D)として本発明に使用し得るセルロースナノファイバーは、各種セルロースを解繊及び/又は微細化することで得られ、本発明のエポキシ樹脂組成物に配合することで、樹脂硬化物の破壊強度を向上することができる。
紙はパルプから繊維を取り出し漉いたもので、新聞紙や廃牛乳パック、コピー済み用紙等の古紙も好適に利用できる。
修飾する化合物としては、アルキル基、アシル基、アシルアミノ基、シアノ基、アルコキシ基、アリール基、アミノ基、アリールオキシ基、シリル基、カルボキシル基等の官能基をセルロースナノファイバーに化学的に結合させて修飾する化合物等が挙げられる。化学的な修飾により、セルロースナノファイバー間の水素結合による強い密着を防ぐことで高分子材料に容易に分散し、良好な界面結合を形成させることができる。また、化学修飾されることにより耐熱性を有するため、他の材料に混入させることで、他の材料に耐熱性を付与することができる。前記セルロースナノファイバー中の全体の水酸基のうち、修飾基により化学修飾される割合は、0.01%〜50%であることが好ましく、0.1%〜45%であることがより好ましい。
セルロースナノファイバーのエポキシ樹脂マスターバッチとしてはYL7883−3、YL7883−5、YL7883−10、YL7883−15、YL7923−3、YL7923−5、YL7923−10、YL7923−15、YL7951−10(以上、三菱化学株式会社製)等が入手できるが、これらに限定されるものではない。なお、本願においてはセルロースナノファイバー含有エポキシ樹脂マスターバッチを用いたが、成分(D)はセルロースナノファイバー自体であり、エポキシ樹脂は成分(B)に含めた。
これらは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
本発明のエポキシ樹脂組成物は、必要に応じて、本発明の効果を損なわない範囲で、公知の様々な添加剤を含有してもよい。
添加剤としては、エラストマー、熱可塑性エラストマー、難燃剤(例えばリン含有エポキシ樹脂や赤燐、ホスファゼン化合物、リン酸塩類、リン酸エステル類等)、シリコーンオイル、湿潤分散剤、消泡剤、脱泡剤、天然ワックス類、合成ワックス類、直鎖脂肪酸の金属塩、酸アミド、エステル類、パラフィン類等の離型剤、結晶質シリカ、溶融シリカ、ケイ酸カルシウム、アルミナ、炭酸カルシウム、タルク、硫酸バリウム等の粉体や金属酸化物、金属水酸化物、ガラス繊維、炭素繊維等の無機充填剤、カーボンブラック、ベンガラ等の着色剤、シランカップリング剤等が挙げられる。さらに必要に応じて、紫外線吸収剤、光安定剤、カーボンナノチューブ、フラーレン等を配合することもできる。
これらは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
本発明のエポキシ樹脂組成物は、例えば上述した各成分を混合することにより得られる。
各成分の混合方法としては、三本ロールミル、プラネタリミキサー、ニーダー、ホモジナイザー、ホモディスパー等の混合機を用いる方法が挙げられる。
本発明のエポキシ樹脂組成物は、例えば後述するように、強化繊維集合体に含浸させてプリプレグの製造に用いることができる。
また、60℃におけるエポキシ樹脂組成物の粘度は、得られるプリプレグの品位の観点から、10Pa・s以上が好ましく、20Pa・s以上がより好ましく、30Pa・s以上がさらに好ましい。また、強化繊維集合体への含浸性や、プリプレグの成形加工性の観点から、1000Pa・s以下が好ましく、900Pa・s以下がより好ましく、800Pa・s以下がさらに好ましい。
なお、この最低粘度は、昇温モードでエポキシ樹脂組成物の粘度を測定した際に得られる粘度カーブにおいて粘度が一番低くなる点と定義される。
また、エポキシ樹脂組成物の粘度は、例えば回転粘度計で25mmφパラレルプレートを用いて、プレートギャップ500μm、昇温速度2℃/分で昇温、角速度10rad/sec、ストレス300Paで測定することにより求められる。
本発明のエポキシ樹脂組成物は、ポットライフに優れる。例えば、配合直後のエポキシ樹脂組成物と、温度20℃、湿度50%の環境下で90日保管した時点のエポキシ樹脂組成物のガラス転移点を測定した場合、90日経時後のガラス転移点の上昇を20℃以下とすることができる。ガラス転移点の上昇を20℃以下とすることで、本発明のエポキシ樹脂組成物をプリプレグ化した後にこれを常温下で長期間保管した場合であっても、マトリックス樹脂の反応が抑制され、プリプレグのタックやドレープが適切な範囲に留まり、ハンドリングに適するため好ましい。より好ましくは、上記のガラス転移点の上昇を15℃以下とするのがより好ましい。なお、ガラス転移点は、示差走査熱量分析(DSC)により求めることができる。
本発明のエポキシ樹脂組成物は、その樹脂硬化物の曲げ強度は135〜200MPaの範囲内であることが好ましい。より好ましくは、140〜190MPaの範囲内である。この曲げ強度が135MPaに満たない場合は、繊維強化複合材料とした際の静的強度が不充分となる場合がある。また、200MPaを超える場合は、繊維強化複合材料とした際の靱性が不充分となりがちで、繊維強化複合材料の耐衝撃性が不足する場合がある。
以上説明した本発明のエポキシ樹脂組成物は、上述した成分(A)、成分(B)、成分(C)および成分(D)、必要に応じて成分(E)やその他添加剤を含むため、本発明のエポキシ樹脂組成物を用いれば、機械物性に優れた繊維強化複合材料を得ることができる。
本発明の成形品は、上述した本発明のエポキシ樹脂組成物を成形してなるものである。
エポキシ樹脂組成物の成形法としては、例えば射出成形法(フィルムやガラス板等のインサート成形を含む)、射出圧縮成形法、押出法、ブロー成形法、真空成形法、圧空成形法、カレンダー成形法、インフレーション成形法等が挙げられる。これらの中でも、量産性に優れ、高い寸法精度の成形品を得ることができる点から、射出成形法、射出圧縮成形法が好ましい。
本発明のエポキシ樹脂組成物を離型紙等に塗布して硬化することで、前記エポキシ樹脂組成物のフィルムを得ることができる。このフィルムはプリプレグを製造するための中間材料として、また、基材に貼り付け硬化させることで表面保護フィルム、接着フィルムとして有用である。
本発明の成形品の1つの側面は、前述のエポキシ樹脂組成物のフィルムとしての使用である。
また、その使用方法は、本発明のエポキシ樹脂組成物を離型紙等の基材の表面に塗布することが好ましい。得られた塗布層は未硬化のまま別の基材に張り付けて硬化しても良く、前記塗布層自体を硬化させ、フィルムとして使用しても良い。
本発明のプリプレグは、上述した本発明のエポキシ樹脂組成物を強化繊維集合体に含浸させてなるものである。含浸させる方法としてはエポキシ樹脂組成物をメチルエチルケトン、メタノール等の溶媒に溶解して低粘度化し、含浸させるウェット法と、加熱により低粘度化し、含浸させるホットメルト法(ドライ法)等を挙げることができる。
これらは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
本発明の繊維強化プラスチックは、上述した本発明のプリプレグを積層後、積層体に圧力を付与しながら樹脂を加熱硬化させる方法等により得られるものである。
繊維強化プラスチックは、機械特性、難燃性、耐熱性、電磁波遮蔽性等に優れることから、強化繊維として炭素繊維を含むことが好ましい。
また、内圧成形法は、熱可塑性樹脂製のチューブ等の内圧付与体にプリプレグを捲回したプリフォームを金型中にセットし、次いで内圧付与体に高圧の気体を導入して圧力を付与すると同時に金型を加熱せしめ、成形する方法である。本方法は、ゴルフシャフト、バット、テニスやバドミントン等のラケットの如き複雑な形状物を成形する際に好ましく用いられる。
前記繊維強化プラスチック製管状体は例えば、以下の(I)〜(V)に記すような方法で作製できる。
一方向プリプレグを、繊維方向が円筒軸方向に対して−45°および+45°になるよう、2plyを積層し、さら一方向プリプレグを、繊維方向が円筒軸方向に対して平行になるよう、1plyを積層し、内径が6mmの複合材料製管状体を作製する。マンドレルは、直径6mm、長さ300mmのステンレス製丸棒を使用する。
(II)離型処理したマンドレルに張り合わせたプリプレグの長方形形状の長辺とマンドレル軸方向が同一方向になるように、マンドレルを捲回する。
(III)その上に、一方向プリプレグを縦200mm×横161mmの長方形形状(長辺方向が繊維軸方向となる)に切り出したものを、その繊維の方向がマンドレル軸の方向と同一になるように、マンドレルに捲回する。
(IV)さらに、その上から、ラッピングテープ(耐熱性フィルムテープ)を巻きつけて捲回物を覆い、硬化炉中、130℃で90分間、加熱成形する。なお、ラッピングテープの幅は15mm、張力は3N、巻き付けピッチ(巻き付け時のずれ量)は1mmとし、これを積層体と同じ厚みになるようラッピングする。
(V)この後、マンドレルを抜き取り、ラッピングテープを除去して繊維強化プラスチック製管状体を得る。
上述した本発明の繊維強化プラスチックから構造体を得ることができる。この構造体は、本発明の繊維強化プラスチックのみからなるものであってもよいし、本発明の繊維強化プラスチックと他の材料(例えば金属、インジェクション成形された熱可塑性樹脂製部材等)とから構成されるものであってもよい。
この構造体は、例えば航空機や自動車の内装部材、電気・電子機器用筐体等にも適用できる。
層間せん断強度(ILSS)は、強化繊維の単糸/マトリックス樹脂間の界面強度が大きく影響する一方向繊維強化プラスチックの層間せん断強度を短試長曲げ試験により測定する方法であり、強化繊維とマトリックス樹脂との接着性を示す指標である。
実施例および比較例で使用した原料を以下に示す。
<成分(A)>
・AER4152:オキサゾリドン骨格含有エポキシ樹脂、エポキシ当量338g/eq、旭化成イーマテリアルズ株式会社製の「AER4152」。
・jER828:液状ビスフェノールA型エポキシ樹脂、エポキシ当量189g/eq、三菱化学株式会社製の「jER828」。
・jER807:液状ビスフェノールF型エポキシ樹脂、エポキシ当量170g/eq、三菱化学株式会社製の「jER807」。
・jER1002:固形ビスフェノールA型エポキシ樹脂、エポキシ当量650g/eq、三菱化学株式会社製の「jER1002」。
・jER4007P:固形ビスフェノールF型エポキシ樹脂、エポキシ当量2270g/eq、三菱化学株式会社製の「jER4007P」。
・DICY15:ジシアンジアミド、活性水素当量21g/eq、三菱化学株式会社製の「jERキュア DICY15」。
・DCMU−99:3−(3,4−ジクロロフェニル)−1,1−ジメチルウレア、保土谷化学工業社製の「DCMU−99」。
・Omicure94:フェニルジメチルウレア、ピイ・ティ・アイ・ジャパン株式会社製の「Omicure94」。
・2MZA−PW:2,4−ジアミノ−6−(2’−メチルイミダゾリル−(1’))−エチル−s−トリアジン、四国化成工業株式会社製の「キュアゾール 2MZA−PW」。
・セイカキュアS:4,4’−ジアミノジフェニルスルホン、和歌山精化工業株式会社製の「セイカキュアS」。
・YL7883−10:セルロースナノファイバー含有エポキシ樹脂マスターバッチ、アセチル化セルロースナノファイバー(成分(D)、アセチル化度約23.3%)含有量10%、液状ビスフェノールA型エポキシ樹脂(成分(B))含有量90%、三菱化学株式会社製。
・YL7923−10:セルロースナノファイバー含有エポキシ樹脂マスターバッチ、アセチル化セルロースナノファイバー(成分(D)、アセチル化度約10%)含有量10%、液状ビスフェノールA型エポキシ樹脂(成分(B))含有量90%、三菱化学株式会社製。
・YL7951−10:セルロースナノファイバー含有エポキシ樹脂マスターバッチ、アセチル化セルロースナノファイバー(成分(D)、アセチル化度約36.3%)含有量10%、液状ビスフェノールF型エポキシ樹脂(成分(B))含有量90%、三菱化学株式会社製。
・ビニレックE:ポリビニルホルマール樹脂、JNC株式会社製の「ビニレックE」。
・炭素繊維:三菱レイヨン株式会社製の「パイロフィルTR50S15L」。
成分(A)としてAER4152、成分(B)としてjER828およびjER1002、成分(C)としてDICY15およびDCMU−99、成分(B)及び成分(D)を含むマスターバッチとしてYL7883−10、成分(E)としてビニレックEを用い、以下のようにしてエポキシ樹脂組成物を調製した。
まず、表1に記載の組成に従い、成分(B)(成分(B)のうちの液状成分)と、成分(C)(固形)とを、固形成分と液状成分の質量比が1:1となるよう容器に計量し、成分(D)を含むマスターバッチを加えてから攪拌し、混合した。これを三本ロールミルにてさらに細かく混合し、硬化剤入りマスターバッチを得た。
続けて、表1に記載の組成の内、硬化剤入りマスターバッチ以外の成分をフラスコに計量し、オイルバスを用いて150℃に加熱し溶解混合した。その後65℃程度まで冷却したところで、前記硬化剤入りマスターバッチを加えて攪拌混合することによりエポキシ樹脂組成物を得た。
得られたエポキシ樹脂組成物を用い、後述する<エポキシ樹脂板作製方法>に従って、樹脂板を作製した。また後述の<評価方法>に従って、樹脂板の曲げ特性を評価した。樹脂板の曲げ強度は164MPa、曲げ弾性率は3.62GPa、破断伸度は12.1%であった。
表1に示す配合組成に変更し、実施例5〜10で成分(B)及び成分(D)を含むマスターバッチとしてYL7951−10を用いた以外は、実施例1と同様にしてエポキシ樹脂組成物を調製し、樹脂板を作製し、その測定および評価を行った。結果を表1に示す。
成分(A)としてAER4152、成分(B)としてjER807およびjER4007P、成分(C)としてDICY15およびDCMU−99、成分(B)及び成分(D)を含むマスターバッチとしてYL7951−10を用い、以下のようにしてエポキシ樹脂組成物を調製した。
まず、表2に記載の組成に従い、成分(B)(成分(B)のうちの液状成分)と、成分(C)(固形)とを、固形成分と液状成分の質量比が1:1となるよう容器に計量し、成分(D)を含むマスターバッチを加えてから攪拌し、混合した。これを三本ロールミルにてさらに細かく混合し、硬化剤入りマスターバッチを得た。
続けて、表2に記載の組成の内、硬化剤入りマスターバッチ以外の成分をフラスコに計量し、オイルバスを用いて140℃に加熱し溶解混合した。その後65℃程度まで冷却したところで、前記硬化剤入りマスターバッチを加えて攪拌混合することによりエポキシ樹脂組成物を得た。
得られたエポキシ樹脂組成物を用い、後述する<エポキシ樹脂板作製方法>、<プリプレグ作製方法>、<繊維強化プラスチック板作製方法>および<繊維強化プラスチック製管状体作製方法>に従って、樹脂板、プリプレグ、繊維強化プラスチック板および繊維強化プラスチック製管状体を作製した。また後述の<評価方法>に従って、各種測定および評価を行った。樹脂板の曲げ強度は176MPa、曲げ弾性率は4.12GPa、破断伸度は13.4%であった。繊維強化プラスチック板のILSSは95.1MPaであった。繊維強化プラスチック製管状体の曲げ強度は1349Mpa、曲げ弾性率は53.3GPaであった。
表2に示す配合組成に変更し、実施例12で成分(B)及び成分(D)を含むマスターバッチとしてYL7883−10を用い、実施例13、14で成分(B)及び成分(D)を含むマスターバッチとしてYL7923−10を用いた以外は、実施例11と同様にしてエポキシ樹脂組成物を調製し、樹脂板、プリプレグ、繊維強化プラスチック板を作製した。また後述の<評価方法>に従って、各種測定および評価を行った。結果を表2に示す。
表2に示す配合組成に変更した以外は、実施例11と同様にしてエポキシ樹脂組成物を得た後、樹脂板、プリプレグ、繊維強化プラスチック板および繊維強化プラスチック製管状体を作製し、各種測定および評価を行った。樹脂板の曲げ強度は150MPa、曲げ弾性率は3.24GPa、破断伸度は10.4%であった。繊維強化プラスチック板のILSSは84.1MPaであった。繊維強化プラスチック製管状体の曲げ強度は1113Mpa、曲げ弾性率は50.5GPaであった。
セルロースナノファイバーを含有しない比較例1は、各実施例に対して各物性値が劣っていた。
未硬化のエポキシ樹脂組成物をオーブン雰囲気温度135℃×90分(昇温速度は2℃/分)で硬化させて、厚さ2mmの樹脂板を作製した。
未硬化のエポキシ樹脂組成物を、コンマコーター(株式会社ヒラノテクシード製、「M−500」)でフィルム状にし、樹脂目付け40.4g/m2のレジンフィルムを作製した。このレジンフィルムを、炭素繊維を引き揃えて得られた、繊維目付150g/m2の炭素繊維シートの両面に張り合わせ、加熱ロールで含浸させて、繊維目付150g/m2、樹脂含有量35質量%のプリプレグを得た。
前記<プリプレグ作製方法>で得られたプリプレグを300mm×300mmにカットし、繊維方向が[0°/0°/0°/0°/0°/0°/0°/0°/0°/0°/0°/0°/0°/0°]となるように14枚積み重ねて積層体を得た。この積層体をオートクレーブで圧力0.04MPa下で2℃/分で昇温し、80℃で60分保持後、圧力0.6MPa下で2℃/分で昇温し、130℃で90分保持して加熱硬化させて、厚さ2.1mmの繊維強化プラスチック板を得た。
前記繊維強化プラスチック製管状体は、以下の(I)〜(V)に記す方法で作製した。
一方向プリプレグを、繊維方向が円筒軸方向に対して−45°および+45°になるよう、2plyを積層し、さら一方向プリプレグを、繊維方向が円筒軸方向に対して平行になるよう、1plyを積層し、内径が6mmの繊維強化プラスチック製管状体を作製した。マンドレルは、直径6mm、長さ300mmのステンレス製丸棒を使用した。
(II)離型処理したマンドレルに張り合わせたプリプレグの長方形形状の長辺とマンドレル軸方向が同一方向になるように、マンドレルを捲回した。
(III)その上に、一方向プリプレグを縦200mm×横161mmの長方形形状(長辺方向が繊維軸方向となる)に切り出したものを、その繊維の方向がマンドレル軸の方向と同一になるように、マンドレルに捲回した。
(IV)さらに、その上から、ラッピングテープ(耐熱性フィルムテープ)を巻きつけて捲回物を覆い、硬化炉中、130℃で90分間、加熱成形した。なお、ラッピングテープの幅は15mm、張力は3N、巻き付けピッチ(巻き付け時のずれ量)は1mmとし、これを積層体と同じ厚みになるようラッピングした。
(V)この後、マンドレルを抜き取り、ラッピングテープを除去して繊維強化プラスチック製管状体を得た。
前記<エポキシ樹脂板作製方法>で得られた厚さ2mmの樹脂板を、長さ60mm×幅8mmに加工して試験片とした。該試験片について、3点曲げ治具(圧子、サポートともに3.2mmR、サポート間距離32mm)を設置した万能試験機(インストロン社製)を用い、クロスヘッドスピード2mm/分の条件で、樹脂板の曲げ特性(曲げ強度、曲げ弾性率、破断伸度(破断歪み))を測定した。
前記<繊維強化プラスチック板作製方法>で得られた繊維強化プラスチック板を、試験片の長手方向に対して補強繊維が0゜に配向するように試験片(長さ25mm×幅6.3mm)に加工し、万能試験機(INSTRON社製、製品名:INSTRON 4465)を用いて、繊維強化プラスチックの層間せん断強度を測定した。温度23℃、湿度50%RHの環境下、3点曲げ治具(圧子R=3.2mm、サポートR=1.6mm)を用い、サポート間距離(L)と試験片の厚み(d)の比L/d=4、クロスヘッドスピード(分速)=(L2×0.01)/(6×d)として、繊維強化複合材料の層間せん断強度(ILSS)を測定した。
前記<繊維強化プラスチック製管状体作製方法>で作製した内径6mm、長さ200mmの複合材料製管状体を3点曲げ治具(圧子75mmR、サポート12.5mmR、サポート間距離150mm)を設置した万能試験機(インストロン社製)を用い、クロスヘッドスピード20mm/分の条件で、繊維強化プラスチック製管状体の曲げ特性(曲げ強度、曲げ弾性率)を測定した。
Claims (13)
- 下記成分(A)、(B)、(C)及び(D)を含んでなり、
前記成分(A)を全エポキシ樹脂100質量部中5質量部以上80質量部以下含み、
前記成分(B)を全エポキシ樹脂100質量部中20質量部以上95質量部以下含み、
成分(B)中、エポキシ当量が350以上のエポキシ樹脂が5質量部以上60質量部以下
であり、成分(B)中、エポキシ当量が350未満のエポキシ樹脂が15質量部以上90
質量部以下であり、
前記成分(D)を全エポキシ樹脂100質量部に対し0.1〜15質量部含む、
エポキシ樹脂組成物。
成分(A):オキサゾリドン骨格含有エポキシ樹脂
成分(B):成分(A)以外のエポキシ当量が350以上のエポキシ樹脂及びエポキ
シ当量が350未満のエポキシ樹脂
成分(C):ジシアンジアミド、ウレア類、イミダゾール類、芳香族アミン類の中か
ら選ばれる少なくとも1種である硬化剤
成分(D):セルロースナノファイバー - 前記成分(D)がアセチル化セルロースナノファイバーである、請求項1に記載のエポ
キシ樹脂組成物。 - 前記成分(D)の平均繊維長が0.05〜10μmである、請求項1又は2に記載のエ
ポキシ樹脂組成物。 - 前記成分(D)の平均繊維幅が2〜1000nmである、請求項1〜3のいずれか一項
に記載のエポキシ樹脂組成物。 - 前記硬化剤(C)がジシアンジアミド及びウレア類を含む、請求項1〜4のいずれか一
項に記載のエポキシ樹脂組成物。 - 硬化物の曲げ強度が135MPa以上、弾性率が3.3GPa以上、破断伸度が8.5
%以上である、請求項1〜5のいずれか一項に記載のエポキシ樹脂組成物。 - さらに、成分(E)として熱可塑性樹脂を含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の
エポキシ樹脂組成物。 - 前記成分(E)を全エポキシ樹脂100質量部に対して1質量部以上20質量部以下含
む、請求項7に記載のエポキシ樹脂組成物。 - 請求項1〜8のいずれか一項に記載のエポキシ樹脂組成物の硬化物からなる成形品。
- 請求項1〜8のいずれか一項に記載のエポキシ樹脂組成物が強化繊維に含浸されたプリ
プレグ。 - 請求項1〜8のいずれか一項に記載のエポキシ樹脂組成物の硬化物と強化繊維とからな
る繊維強化プラスチック。 - 層間せん断強度が90MPa以上である、請求項11に記載の繊維強化プラスチック。
- 管状である請求項11又は12に記載の繊維強化プラスチック。
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