JP7287171B2 - Prepregs and carbon fiber reinforced composites - Google Patents

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本発明は、優れたモードI層間靱性、0°圧縮強度を兼ね備えた炭素繊維強化複合材料が得られる炭素繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物、およびそれを用いたプリプレグ、炭素繊維強化複合材料に関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an epoxy resin composition for a carbon fiber reinforced composite material that provides a carbon fiber reinforced composite material having both excellent mode I interlaminar toughness and 0° compressive strength, and a prepreg and a carbon fiber reinforced composite material using the same. It is.

従来、炭素繊維、ガラス繊維などの強化繊維と、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂からなる繊維強化複合材料は、軽量でありながら、強度や剛性などの力学特性や耐熱性、また耐食性に優れているため、航空・宇宙、自動車、鉄道車両、船舶、土木建築およびスポーツ用品などの数多くの分野に応用されてきた。特に、高性能が要求される用途では、連続した強化繊維を用いた繊維強化複合材料が用いられ、強化繊維としては比強度、比弾性率に優れた炭素繊維が、そしてマトリックス樹脂としては熱硬化性樹脂、中でも特に炭素繊維との接着性に優れたエポキシ樹脂が多く用いられている。 Conventionally, fiber-reinforced composite materials made of reinforcing fibers such as carbon fibers and glass fibers and thermosetting resins such as epoxy resins and phenolic resins are lightweight, yet have mechanical properties such as strength and rigidity, heat resistance, and corrosion resistance. Because of its superiority, it has been applied in many fields such as aerospace, automobiles, railroad vehicles, ships, civil engineering and construction, and sporting goods. In particular, for applications that require high performance, fiber-reinforced composite materials using continuous reinforcing fibers are used. Carbon fibers with excellent specific strength and specific elastic modulus are used as reinforcing fibers, and thermosetting resins are used as matrix resins. In particular, epoxy resins, which have excellent adhesion to carbon fibers, are widely used.

炭素繊維強化複合材料は、強化繊維とマトリックス樹脂を必須の構成要素とする不均一材料であり、そのため強化繊維の配列方向の物性とそれ以外の方向の物性に大きな差が存在する。例えば、強化繊維層間破壊の進行し難さを示す層間靱性は、強化繊維の強度を向上させるのみでは、抜本的な改良に結びつかないことが知られている。特に、熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とする炭素繊維強化複合材料は、マトリックス樹脂の低い靭性を反映し、強化繊維の配列方向以外からの応力に対し、破壊され易い性質を持っている。そのため、航空機構造材のように高い強度と信頼性を必要とする用途に向けては、繊維方向強度を確保しつつ、層間靭性を始めとする強化繊維の配列方向以外からの応力に対応することができる複合材料物性の改良を目的に、種々の技術が提案されている。 A carbon fiber reinforced composite material is a heterogeneous material having reinforcing fibers and a matrix resin as essential components, and therefore there is a large difference in physical properties in the direction in which the reinforcing fibers are arranged and in the other directions. For example, it is known that the interlaminar toughness, which indicates how difficult it is for reinforcing fiber interlaminar fractures to progress, cannot be drastically improved simply by improving the strength of the reinforcing fibers. In particular, a carbon fiber reinforced composite material using a thermosetting resin as a matrix resin has the property of being easily destroyed by stresses from directions other than the direction in which the reinforcing fibers are arranged, reflecting the low toughness of the matrix resin. Therefore, for applications that require high strength and reliability, such as aircraft structural materials, it is necessary to ensure strength in the direction of the fiber while also responding to stresses other than the alignment direction of the reinforcing fibers, such as interlaminar toughness. Various techniques have been proposed for the purpose of improving physical properties of composite materials.

近年、航空機構造材への炭素繊維強化複合材料の適用部位が拡大していることに加えて、発電効率やエネルギー変換効率の向上を目指した風車ブレードや各種タービンへの炭素繊維強化複合材料の適用も進んでおり、肉厚な部材、また3次元的な曲面形状を有する部材への適用検討が進められている。このような肉厚部材、あるいは曲面部材に引っ張りや圧縮の応力が負荷された場合、プリプレグ繊維層間への面外方向への引き剥がし応力が発生し、層間に開口モードによる亀裂が生じ、その亀裂の進展により部材全体の強度、剛性が低下し、全体破壊に到る場合がある。この応力に対抗するための、開口モード、すなわちモードIでの層間靱性が必要になる。高いモードI層間靱性を有する炭素繊維強化複合材料を得るには、マトリックス樹脂自体の高い靱性が必要となる。マトリックス樹脂の靱性を改良するため、マトリックス樹脂にゴム成分を配合する方法(特許文献1参照。)、熱可塑性樹脂を配合する方法(特許文献2参照。)が知られていた。また、インターリーフと呼ばれる一種の接着層ないしは衝撃吸収層を層間に挿入する方法(特許文献3参照)、および粒子により層間を強化(特許文献4参照)する方法が提案されている。 In recent years, the application of carbon fiber reinforced composite materials to aircraft structural materials has expanded, and the application of carbon fiber reinforced composite materials to wind turbine blades and various turbines aimed at improving power generation efficiency and energy conversion efficiency. Also, application to thick members and members having three-dimensional curved surfaces is being studied. When tensile or compressive stress is applied to such a thick member or curved member, a peeling stress in the out-of-plane direction between the prepreg fiber layers is generated, cracks are generated between the layers due to the open mode, and the cracks Due to the progress of this, the strength and rigidity of the entire member may decrease, leading to total destruction. Interlaminar toughness in the open mode, or Mode I, is required to counteract this stress. In order to obtain a carbon fiber reinforced composite material with high mode I interlayer toughness, the matrix resin itself must have high toughness. In order to improve the toughness of the matrix resin, a method of blending a rubber component into the matrix resin (see Patent Document 1) and a method of blending a thermoplastic resin (see Patent Document 2) have been known. In addition, a method of inserting a kind of adhesive layer or shock absorbing layer called interleaf between layers (see Patent Document 3) and a method of reinforcing the interlayer with particles (see Patent Document 4) have been proposed.

また、航空機構造材への適用においては、炭素繊維強化複合材料の高い圧縮強度も要求される。繊維強化複合材料においては、繊維の座屈により圧縮強度が低くなることが知られている。この繊維の座屈を抑制するためには、繊維の周辺を満たすマトリックス樹脂の高弾性率化が有効である。しかしながら、一般に樹脂の高弾性率化は樹脂の伸度低下を招き、靭性の低い樹脂硬化物となる傾向がある。そのため、得られる繊維強化複合材料において、モードI層間靭性および圧縮強度を高いレベルで満足させることは非常に困難であった。 In addition, high compressive strength of carbon fiber reinforced composite materials is also required for application to aircraft structural materials. In fiber-reinforced composite materials, it is known that the compressive strength is lowered due to buckling of the fibers. In order to suppress the buckling of the fibers, it is effective to increase the elastic modulus of the matrix resin that fills the periphery of the fibers. However, in general, increasing the elastic modulus of a resin tends to reduce the elongation of the resin, resulting in a cured resin with low toughness. Therefore, it has been very difficult to satisfy high levels of mode I interlaminar toughness and compressive strength in the resulting fiber-reinforced composite material.

特開2001-139662号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-139662 特開平7-278412号公報JP-A-7-278412 特開昭60-231738号公報JP-A-60-231738 特公平6-94515号公報Japanese Patent Publication No. 6-94515

しかし、特許文献1や特許文献2に記載の方法では、マトリックス樹脂の靱性改良効果は十分なものではなかった。また、特許文献3や特許文献4に記載の方法では、モードII層間靱性に対しては効果があるものの、モードI層間靱性に対しては、十分な効果が得られるものではなかった。また、0°圧縮強度とモードI層間靱性の両立は非常に困難であった。そこで、本発明の目的は、モードI層間靱性および0°圧縮強度に優れた炭素繊維強化複合材料が得られるプリプレグ、および炭素繊維強化複合材料を提供することにある。 However, the methods described in Patent Literature 1 and Patent Literature 2 are not sufficiently effective in improving the toughness of the matrix resin. Moreover, although the methods described in Patent Documents 3 and 4 are effective for the mode II interlaminar toughness, they are not sufficiently effective for the mode I interlaminar toughness. Moreover, it was very difficult to achieve both 0° compressive strength and mode I interlaminar toughness. Accordingly, an object of the present invention is to provide a prepreg and a carbon fiber reinforced composite material from which a carbon fiber reinforced composite material having excellent mode I interlaminar toughness and 0° compressive strength can be obtained.

上記課題を解決する本発明のプリプレグは、下記構成要素[A]~[C]を含み、かつ条件[I]および[II]を満たすプリプレグである。
[A]:炭素繊維
[B]:エポキシ樹脂
[C]:一般式(1)で示される構造を有する硬化剤
The prepreg of the present invention that solves the above problems is a prepreg that includes the following components [A] to [C] and satisfies the conditions [I] and [II].
[A]: carbon fiber [B]: epoxy resin [C]: curing agent having a structure represented by general formula (1)

Figure 0007287171000001
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(一般式(1)中、Xは、単結合、もしくは群(I)から1つ選ばれる。P、Pは同一であっても相異なっていてもよく、群(II)に示される構造のいずれかから選ばれる。群(II)中のWは各々独立に、炭素数1~8の脂肪族炭化水素基、炭素数1~8の脂肪族アルコキシ基、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子、シアノ基、ニトロ基、又はアセチル基を示す。nは各々独立に0~4の整数を示す。置換基Wは、全てが同一であっても異なっていてもよく、あるいは一部が同一であってもよい。群(II)におけるXは、群(I)から1つ選ばれる。F、Fはエポキシ基と反応可能な活性基であり、群(II)から選ばれる六員環に直接結合している。) (In general formula (1), X 1 is a single bond or one selected from group (I). P 1 and P 2 may be the same or different, and are shown in group (II). Each W in group (II) is independently an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 8 carbon atoms, an aliphatic alkoxy group having 1 to 8 carbon atoms, a fluorine atom, a chlorine atom, represents a bromine atom, an iodine atom, a cyano group, a nitro group, or an acetyl group, and each n independently represents an integer of 0 to 4. The substituents W may all be the same or different, or X 2 in group (II) is one selected from group (I), F 1 and F 2 are active groups capable of reacting with epoxy groups, and directly attached to a six-membered ring selected from

Figure 0007287171000002
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Figure 0007287171000003
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[I]:X線光電子分光法により測定される[A]の表面酸素濃度O/Cが0.10以上である。
[II]:構成要素[B]および[C]を含むエポキシ樹脂組成物の硬化物がクロスニコル状態での偏光顕微鏡観察にて干渉模様を示す分子異方性を有する樹脂領域を含む。
[I]: The surface oxygen concentration O/C of [A] measured by X-ray photoelectron spectroscopy is 0.10 or more.
[II]: A cured product of an epoxy resin composition containing components [B] and [C] contains a resin region having molecular anisotropy that exhibits an interference pattern when observed with a polarizing microscope in a crossed Nicols state.

また、本発明の炭素繊維強化複合材料は、上記プリプレグが硬化されてなる。 Further, the carbon fiber reinforced composite material of the present invention is obtained by curing the prepreg.

本発明よれば、モードI層間靱性と0°圧縮強度、耐熱性に優れた炭素繊維強化複合材料が得られる。 According to the present invention, a carbon fiber reinforced composite material excellent in mode I interlayer toughness, 0° compressive strength, and heat resistance can be obtained.

モードI層間靭性(GIC)の測定方法を示す図である。FIG. 3 shows a method for measuring Mode I interlaminar toughness (G IC ).

本発明の構成要素[A]である炭素繊維としては、繊維の形態や配列については限定されず、例えば、一方向に引き揃えられた長繊維、単一のトウ、織物、ニット、および組紐などの繊維構造物が用いられる。2種類以上の炭素繊維や、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、PBO繊維、高強力ポリエチレン繊維、アルミナ繊維および炭化ケイ素繊維などの他の強化繊維と組み合わせて用いても構わない。 The carbon fiber, which is the component [A] of the present invention, is not limited in fiber form or arrangement, and examples thereof include long fibers aligned in one direction, single tows, woven fabrics, knits, and braids. of fiber structures are used. It may be used in combination with two or more types of carbon fibers or other reinforcing fibers such as glass fibers, aramid fibers, boron fibers, PBO fibers, high-strength polyethylene fibers, alumina fibers and silicon carbide fibers.

炭素繊維としては、具体的にはアクリル系、ピッチ系およびレーヨン系等の炭素繊維が挙げられ、特に引張強度の高いアクリル系の炭素繊維が好ましく用いられる。 Specific examples of carbon fibers include acrylic, pitch, and rayon carbon fibers, and acrylic carbon fibers having high tensile strength are preferably used.

かかるアクリル系の炭素繊維は、例えば、次に述べる工程を経て製造することができる。アクリロニトリルを主成分とするモノマーから得られるポリアクリロニトリルを含む紡糸原液を、湿式紡糸法、乾湿式紡糸法、乾式紡糸法、または溶融紡糸法により紡糸する。紡糸後の凝固糸は、製糸工程を経て、プリカーサーとし、続いて耐炎化および炭化などの工程を経て炭素繊維を得ることができる。 Such acrylic carbon fibers can be produced, for example, through the steps described below. A spinning dope containing polyacrylonitrile obtained from a monomer containing acrylonitrile as a main component is spun by a wet spinning method, a dry-wet spinning method, a dry spinning method, or a melt spinning method. The coagulated yarn after spinning can be made into a precursor through a spinning process, followed by processes such as flameproofing and carbonization to obtain carbon fibers.

炭素繊維の形態としては、有撚糸、解撚糸および無撚糸等を使用することができるが、有撚糸の場合は炭素繊維を構成するフィラメントの配向が平行ではないため、得られる炭素繊維強化複合材料の力学特性の低下の原因となることから、炭素繊維強化複合材料の成形性と強度特性のバランスが良い解撚糸または無撚糸が好ましく用いられる。 As the form of the carbon fiber, twisted yarn, untwisted yarn, non-twisted yarn, etc. can be used. Untwisted yarn or untwisted yarn, which has a good balance between the moldability and strength characteristics of the carbon fiber reinforced composite material, is preferably used because it causes a decrease in the mechanical properties of the carbon fiber reinforced composite material.

本発明の炭素繊維は、マトリックス樹脂との接着性を向上させるために、通常、酸化処理が施され、酸素含有官能基が導入されることが好ましい。酸化処理方法としては、気相酸化、液相酸化および液相電解酸化が用いられるが、生産性が高く、均一処理ができるという観点から、液相電解酸化が好ましく用いられる。 In order to improve the adhesiveness to the matrix resin, the carbon fiber of the present invention is usually preferably subjected to oxidation treatment to introduce oxygen-containing functional groups. Gas-phase oxidation, liquid-phase oxidation, and liquid-phase electrolytic oxidation are used as the oxidation treatment method. Liquid-phase electrolytic oxidation is preferably used from the viewpoint of high productivity and uniform treatment.

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

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

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

本発明において、電解処理で採用する電解電気量の総量は、炭素繊維1g当たり3~300クーロンであることが好ましい。電解電気量の総量が3クーロン/g以上とすることで、炭素繊維表面に十分に官能基を付与でき、マトリックス樹脂と炭素繊維の界面接着性が優れたものとなる。一方、電解電気量の総量が300クーロン/g以下とすることで炭素繊維単繊維表面の欠陥拡大を抑制し、炭素繊維の強度低下を低減できる。 In the present invention, the total amount of electrolytic electricity used in the electrolytic treatment is preferably 3 to 300 coulombs per 1 g of carbon fiber. When the total amount of electrolyzed electricity is 3 coulomb/g or more, sufficient functional groups can be imparted to the surface of the carbon fibers, resulting in excellent interfacial adhesion between the matrix resin and the carbon fibers. On the other hand, when the total amount of electrolyzed electricity is 300 coulomb/g or less, it is possible to suppress the expansion of defects on the surface of the carbon fiber single fiber and reduce the decrease in the strength of the carbon fiber.

本発明で用いる炭素繊維は、引張弾性率が200~440GPaの範囲であることが好ましい。炭素繊維の引張弾性率は、炭素繊維を構成する黒鉛構造の結晶度に影響され、結晶度が高いほど弾性率は向上する。この範囲であると炭素繊維強化複合材料に剛性、強度のすべてが高いレベルでバランスするために好ましい。より好ましい弾性率は、230~400GPaの範囲内であり、さらに好ましくは260~370GPaの範囲内である。ここで、炭素繊維の引張弾性率は、JIS R7601(2006)に従い測定された値である。 The carbon fiber used in the present invention preferably has a tensile modulus in the range of 200 to 440 GPa. The tensile elastic modulus of carbon fibers is affected by the crystallinity of the graphite structure that constitutes the carbon fibers, and the higher the crystallinity, the higher the elastic modulus. This range is preferable because the rigidity and strength of the carbon fiber reinforced composite material are well balanced at a high level. More preferably, the elastic modulus is in the range of 230-400 GPa, more preferably in the range of 260-370 GPa. Here, the tensile modulus of carbon fiber is a value measured according to JIS R7601 (2006).

炭素繊維の市販品としては、“トレカ(登録商標)”T800G-24K、“トレカ(登録商標)”T300-3K、“トレカ(登録商標)”T700G-12K、および“トレカ(登録商標)”T1100G-24K(以上東レ(株)製)などが挙げられる。 Commercially available carbon fibers include "Torayca (registered trademark)" T800G-24K, "Torayca (registered trademark)" T300-3K, "Torayca (registered trademark)" T700G-12K, and "Torayca (registered trademark)" T1100G. -24K (manufactured by Toray Industries, Inc.) and the like.

本発明において用いられる炭素繊維は、単繊維繊度が0.2~2.0dtexであることが好ましく、より好ましくは0.4~1.8dtexである。単繊維繊度が0.2dtex未満では、撚糸時においてガイドローラーとの接触による炭素繊維の損傷が起こり易くなることがあり、また樹脂組成物の含浸処理工程においても同様の損傷が起こることがある。単繊維繊度が2.0dtexを超えると炭素繊維に樹脂組成物が充分に含浸されないことがあり、結果として耐疲労性が低下することがある。 The carbon fiber used in the present invention preferably has a single fiber fineness of 0.2 to 2.0 dtex, more preferably 0.4 to 1.8 dtex. If the single fiber fineness is less than 0.2 dtex, the carbon fibers may be easily damaged by contact with guide rollers during twisting, and similar damage may occur during the resin composition impregnation process. If the single fiber fineness exceeds 2.0 dtex, the carbon fibers may not be sufficiently impregnated with the resin composition, resulting in a decrease in fatigue resistance.

本発明において用いられる炭素繊維は、一つの繊維束中のフィラメント数が2500~50000本の範囲であることが好ましい。フィラメント数が2500本を下回ると繊維配列が蛇行しやすく強度低下の原因となりやすい。また、フィラメント数が50000本を上回るとプリプレグ作製時あるいは成形時に樹脂含浸が難しいことがある。フィラメント数は、より好ましくは2800~40000本の範囲である。 The number of filaments in one fiber bundle of carbon fibers used in the present invention is preferably in the range of 2,500 to 50,000. If the number of filaments is less than 2,500, the fiber arrangement tends to meander, which tends to cause a decrease in strength. Also, if the number of filaments exceeds 50,000, it may be difficult to impregnate the prepreg with the resin during fabrication or molding. The number of filaments is more preferably in the range of 2800-40000.

本発明のプリプレグが充足すべき条件[I]として、構成要素[A]炭素繊維は、X線光電子分光法により測定される繊維表面の酸素(O)と炭素(C)の原子数の比である表面酸素濃度(O/C)が、0.10以上である。さらに、好ましくは0.10~0.50の範囲内のものであり、より好ましくは0.14~0.30の範囲内のものであり、さらに好ましくは0.14~0.20の範囲内ものである。表面酸素濃度(O/C)が0.10以上であることにより、炭素繊維表面の酸素含有官能基を確保し、マトリックス樹脂との強固な接着を得ることができる。また、表面酸素濃度(O/C)が0.50以下であることにより、酸化による炭素繊維自体の強度の低下を抑えることができるため好ましい。 As the condition [I] to be satisfied by the prepreg of the present invention, the constituent element [A] carbon fiber is the atomic ratio of oxygen (O) and carbon (C) on the fiber surface measured by X-ray photoelectron spectroscopy. A certain surface oxygen concentration (O/C) is 0.10 or more. Furthermore, it is preferably within the range of 0.10 to 0.50, more preferably within the range of 0.14 to 0.30, and still more preferably within the range of 0.14 to 0.20. It is a thing. When the surface oxygen concentration (O/C) is 0.10 or more, the oxygen-containing functional groups on the surface of the carbon fiber can be secured and strong adhesion to the matrix resin can be obtained. Further, a surface oxygen concentration (O/C) of 0.50 or less is preferable because it is possible to suppress a decrease in the strength of the carbon fiber itself due to oxidation.

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

本発明の炭素繊維は、サイジング剤塗布炭素繊維であることが好ましい。サイジング剤塗布炭素繊維とすることで炭素繊維のハンドリング性に優れるとともに、炭素繊維とマトリックス樹脂の界面接着性に優れ、炭素繊維複合材料用途として好適なものとなる。 The carbon fiber of the present invention is preferably a sizing agent-coated carbon fiber. By using the sizing agent-coated carbon fiber, the handling property of the carbon fiber is excellent, and the interfacial adhesion between the carbon fiber and the matrix resin is excellent, and it is suitable for use as a carbon fiber composite material.

本発明において、サイジング剤はエポキシ樹脂化合物を含むことが好ましい。サイジング剤に含まれるエポキシ化合物としては、例えば脂肪族エポキシ化合物、芳香族エポキシ化合物があり、これらを単独で用いてもよいし、併用してもよい。 In the present invention, the sizing agent preferably contains an epoxy resin compound. Epoxy compounds contained in the sizing agent include, for example, aliphatic epoxy compounds and aromatic epoxy compounds, and these may be used alone or in combination.

脂肪族エポキシ化合物のみからなるサイジング剤が塗布されてなる炭素繊維はマトリックス樹脂との接着性が高いことが確認されている。そのメカニズムは確かではないが、脂肪族エポキシ化合物は柔軟な骨格および自由度が高い構造に由来して、炭素繊維表面のカルボキシル基および水酸基との官能基と脂肪族エポキシ化合物が強い相互作用を形成することが可能であると考えられる。 It has been confirmed that a carbon fiber coated with a sizing agent consisting only of an aliphatic epoxy compound has high adhesiveness to a matrix resin. Although the mechanism is not clear, aliphatic epoxy compounds are derived from flexible skeletons and structures with a high degree of freedom, and functional groups with carboxyl groups and hydroxyl groups on the carbon fiber surface form strong interactions with aliphatic epoxy compounds. It is considered possible to

芳香族エポキシ化合物のみからなるサイジング剤が塗布されてなる炭素繊維は、サイジング剤とマトリックス樹脂との反応性が低く、プリプレグを長期保管した場合の物性変化が小さいという利点がある。また、剛直な界面層を形成することができるという利点もある。 Carbon fibers coated with a sizing agent consisting only of an aromatic epoxy compound have the advantage that the reactivity between the sizing agent and the matrix resin is low, and physical property changes are small when the prepreg is stored for a long period of time. There is also the advantage that a rigid interface layer can be formed.

脂肪族エポキシ化合物と芳香族エポキシ化合物を混合した場合、より極性の高い脂肪族エポキシ化合物が炭素繊維側に多く偏在し、炭素繊維と逆側のサイジング層の最外層に極性の低い芳香族エポキシ化合物が偏在しやすいという現象が見られる。このサイジング層の傾斜構造の結果として、脂肪族エポキシ化合物は炭素繊維近傍で炭素繊維と強い相互作用を有することで炭素繊維とマトリックス樹脂の接着性を高めることができる。また、外層に多く存在する芳香族エポキシ化合物は、サイジング剤塗布炭素繊維をプリプレグにした場合には脂肪族エポキシ化合物をマトリックス樹脂から遮断する役割を果たす。このことにより、脂肪族エポキシ化合物とマトリックス樹脂中の反応性の高い成分との反応が抑制されるため、長期保管時の安定性が発現される。 When an aliphatic epoxy compound and an aromatic epoxy compound are mixed, the more polar aliphatic epoxy compound is unevenly distributed on the carbon fiber side, and the less polar aromatic epoxy compound is in the outermost layer of the sizing layer on the opposite side of the carbon fiber. is likely to be unevenly distributed. As a result of this gradient structure of the sizing layer, the aliphatic epoxy compound has a strong interaction with the carbon fibers in the vicinity of the carbon fibers, thereby enhancing the adhesion between the carbon fibers and the matrix resin. In addition, the aromatic epoxy compound, which is abundantly present in the outer layer, plays a role of shielding the aliphatic epoxy compound from the matrix resin when the sizing agent-coated carbon fiber is made into a prepreg. As a result, the reaction between the aliphatic epoxy compound and the highly reactive component in the matrix resin is suppressed, so stability during long-term storage is exhibited.

サイジング剤塗布炭素繊維とマトリックス樹脂とからなる繊維強化複合材料において、炭素繊維近傍のいわゆる界面層は、炭素繊維あるいはサイジング剤の影響を受け、マトリックス樹脂とは異なる特性を有する場合がある。エポキシ化合物が芳香環を1個以上有すると、剛直な界面層が形成され、炭素繊維とマトリックス樹脂との間の応力伝達能力が向上し、繊維強化複合材料の0°引張強度等の力学特性が向上する。また、芳香環により疎水性が向上することにより、脂肪族エポキシ化合物に比べて炭素繊維との相互作用が弱く、脂肪族エポキシ化合物を覆い、サイジング層外層に存在することができる。このことにより、サイジング剤塗布炭素繊維をプリプレグに用いた場合、長期間保管した場合の経時変化を抑制することができ好ましい。芳香環を2個以上有することで、芳香環による長期安定性の向上するため好ましい。芳香環の数の上限は特にないが、10個あれば力学特性およびマトリックス樹脂との反応の抑制の観点から十分である。 In a fiber-reinforced composite material comprising sizing agent-coated carbon fibers and a matrix resin, the so-called interface layer in the vicinity of the carbon fibers may be affected by the carbon fibers or the sizing agent and have properties different from those of the matrix resin. When the epoxy compound has one or more aromatic rings, a rigid interfacial layer is formed, the stress transmission ability between the carbon fiber and the matrix resin is improved, and the mechanical properties such as 0° tensile strength of the fiber-reinforced composite material are improved. improves. In addition, since the aromatic ring improves the hydrophobicity, it has a weaker interaction with the carbon fiber than the aliphatic epoxy compound, and can cover the aliphatic epoxy compound and exist in the outer layer of the sizing layer. As a result, when the sizing agent-coated carbon fiber is used for the prepreg, it is possible to suppress deterioration over time when stored for a long period of time, which is preferable. Having two or more aromatic rings is preferable because the aromatic rings improve long-term stability. There is no particular upper limit to the number of aromatic rings, but 10 is sufficient from the viewpoint of mechanical properties and suppression of reaction with the matrix resin.

本発明において、炭素繊維に塗布されたサイジング剤のエポキシ当量は350~550g/molであることが好ましい。550g/mol以下であることで、サイジング剤が塗布されてなる炭素繊維とマトリックス樹脂の接着性が向上するため好ましい。また、350g/mol以上であることで、プリプレグに該サイジング剤塗布炭素繊維を用いた場合に、プリプレグに用いている樹脂成分とサイジング剤との反応を抑制することができるため、プリプレグを長期保管した場合にも得られた炭素繊維強化複合材料の物性が良好になるため好ましい。本発明におけるサイジング剤が塗布されてなる炭素繊維のエポキシ当量とは、サイジング剤塗布繊維をN,N-ジメチルホルムアミドに代表される溶媒中に浸漬し、超音波洗浄を行うことで繊維から溶出させたのち、塩酸でエポキシ基を開環させ、酸塩基滴定で求めることができる。エポキシ当量は360g/mol以上が好ましく、380g/mol以上がより好ましい。また、530g/mol以下が好ましく、500g/mol以下がより好ましい。なお、炭素繊維に塗布されたサイジング剤のエポキシ当量は、塗布に用いるサイジング剤のエポキシ当量および塗布後の乾燥での熱履歴などにより、制御することができる。 In the present invention, the epoxy equivalent of the sizing agent applied to the carbon fibers is preferably 350-550 g/mol. When the amount is 550 g/mol or less, the adhesiveness between the carbon fiber coated with the sizing agent and the matrix resin is improved, which is preferable. In addition, when the sizing agent-coated carbon fiber is used in the prepreg, the reaction between the resin component used in the prepreg and the sizing agent can be suppressed by being 350 g / mol or more, so the prepreg can be stored for a long time. It is also preferable because the physical properties of the obtained carbon fiber reinforced composite material are improved even when it is carried out. The epoxy equivalent of the carbon fiber coated with the sizing agent in the present invention is eluted from the fiber by immersing the sizing agent-coated fiber in a solvent represented by N,N-dimethylformamide and performing ultrasonic cleaning. After that, the epoxy group is ring-opened with hydrochloric acid, and it can be determined by acid-base titration. The epoxy equivalent is preferably 360 g/mol or more, more preferably 380 g/mol or more. Also, it is preferably 530 g/mol or less, more preferably 500 g/mol or less. The epoxy equivalent of the sizing agent applied to the carbon fibers can be controlled by the epoxy equivalent of the sizing agent used for application and the heat history during drying after application.

本発明において、サイジング剤の付着量は、炭素繊維100質量部に対して、0.1質量部以上であることが好ましく、より好ましくは0.1~3.0質量部、さらに好ましくは0.2~3.0質量部の範囲である。サイジング剤の付着量がかかる範囲であると、高い剪断靱性を発現させることができる。サイジング剤の付着量の測定方法は、サイジング塗布炭素繊維を2±0.5g採取し、窒素雰囲気中450℃にて加熱処理を15分間行ったときの該加熱処理前後の質量変化量を加熱処理前の質量で除した値の質量%である。 In the present invention, the amount of the sizing agent adhered is preferably 0.1 parts by mass or more, more preferably 0.1 to 3.0 parts by mass, and still more preferably 0.1 part by mass with respect to 100 parts by mass of the carbon fiber. It is in the range of 2 to 3.0 parts by mass. When the amount of the sizing agent adhered is within such a range, high shear toughness can be exhibited. 2±0.5 g of sizing-coated carbon fiber was sampled and subjected to heat treatment at 450° C. for 15 minutes in a nitrogen atmosphere. It is the weight percent of the value divided by the previous weight.

本発明において、アセトニトリルとクロロホルムを体積比9対1で混合した溶液で洗浄した後に炭素繊維に残留するサイジング剤付着量がサイジング剤塗布炭素繊維に対して0.08質量%以上であることが好ましく、より好ましくは0.08~3.0質量%、さらに好ましくは0.14~0.30質量%の範囲である。洗浄後のサイジング剤の付着量がかかる範囲であると、炭素繊維とサイジング剤の界面接着が良好となり、繊維強化複合材料とした際に高い剪断靱性を発現させることができる。本発明における「洗浄後のサイジング剤付着量」とは、次のように測定されて算出されるものである。サイジング剤塗布炭素繊維2±0.5gをアセトニトリルとクロロホルムを体積比9対1で混合した溶液10mlに浸漬し、超音波洗浄を20分間行うことで繊維からサイジング剤を溶出させた後、十分に乾燥させて質量を測定する。さらにこの洗浄後炭素繊維を窒素雰囲気中450℃にて加熱処理を15分間行う。このときの該加熱処理前後の質量変化量を、加熱処理前のサイジング剤塗布炭素繊維の質量で除した値の質量%を洗浄後のサイジング剤付着量とする。 In the present invention, it is preferable that the amount of the sizing agent remaining on the carbon fiber after washing with a mixed solution of acetonitrile and chloroform at a volume ratio of 9:1 is 0.08% by mass or more relative to the sizing agent-coated carbon fiber. , more preferably 0.08 to 3.0% by mass, and still more preferably 0.14 to 0.30% by mass. When the adhesion amount of the sizing agent after washing is within such a range, the interfacial adhesion between the carbon fibers and the sizing agent is improved, and high shear toughness can be exhibited when a fiber-reinforced composite material is produced. The "amount of sizing agent adhered after washing" in the present invention is measured and calculated as follows. 2 ± 0.5 g of the sizing agent-coated carbon fiber is immersed in 10 ml of a solution in which acetonitrile and chloroform are mixed at a volume ratio of 9:1, and ultrasonically cleaned for 20 minutes to elute the sizing agent from the fiber. Dry and weigh. Further, after washing, the carbon fibers are heat-treated at 450° C. for 15 minutes in a nitrogen atmosphere. The amount of change in mass before and after the heat treatment at this time is divided by the mass of the sizing agent-coated carbon fiber before the heat treatment, and the value in mass % is defined as the sizing agent adhesion amount after washing.

本発明のプリプレグにおける炭素繊維について、次の方法で規定される界面剪断強度(IFSS)は25MPa以上であることが好ましく、より好ましくは30MPa以上、さらに好ましくは40MPa以上である。界面剪断強度が高いと、炭素繊維とエポキシ樹脂との接着性も高い傾向となる。ここで、本発明における「界面剪断強度」は、炭素繊維の単繊維とビスフェノールA型エポキシ樹脂との界面剪断強度のことであり、次のように測定して算出される値である。 The carbon fibers in the prepreg of the present invention preferably have an interfacial shear strength (IFSS) of 25 MPa or more, more preferably 30 MPa or more, and still more preferably 40 MPa or more, as defined by the following method. When the interfacial shear strength is high, the adhesion between the carbon fiber and the epoxy resin tends to be high. Here, the "interfacial shear strength" in the present invention means the interfacial shear strength between a single fiber of carbon fiber and a bisphenol A type epoxy resin, and is a value calculated by measuring as follows.

以下、界面剪断強度の測定方法について説明する。測定にあたっては、Drzal,L.T.,Master,Sci,Eng.A126,289(1990)を参考にして行う。 A method for measuring the interfacial shear strength will be described below. Drzal, L. et al. T. , Master, Sci, Eng. A126, 289 (1990).

すなわち、ビスフェノールA型エポキシ化合物“jER(登録商標)”828(三菱ケミカル(株)製)100質量部とメタフェニレンジアミン(シグマアルドリッチジャパン(株)製)14.5質量部を、それぞれ容器に入れ、その後、上記のjER828の粘度低下とメタフェニレンジアミンの溶解のため、75℃の温度で15分間加熱する。その後、両者をよく混合し、80℃の温度で約15分間真空脱泡を行う。 That is, 100 parts by mass of a bisphenol A type epoxy compound "jER (registered trademark)" 828 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) and 14.5 parts by mass of metaphenylenediamine (manufactured by Sigma-Aldrich Japan Co., Ltd.) were placed in a container. After that, it is heated at a temperature of 75° C. for 15 minutes in order to reduce the viscosity of the jER828 and dissolve the metaphenylenediamine. After that, both are well mixed, and vacuum defoaming is performed at a temperature of 80° C. for about 15 minutes.

次に、炭素繊維束から単繊維を抜き取り、ダンベル型モールドの長手方向に単繊維に一定張力を与えた状態で両端を接着剤で固定する。その後、炭素繊維およびモールドに付着した水分を除去するため、80℃の温度で30分間以上真空乾燥を行う。ダンベル型モールドはシリコーンゴム製で、注型部分の形状は、中央部分巾5mm、長さ25mm、両端部分巾10mm、全体長さ150mmとする。 Next, a single fiber is extracted from the carbon fiber bundle, and both ends are fixed with an adhesive while a constant tension is applied to the single fiber in the longitudinal direction of the dumbbell mold. Thereafter, vacuum drying is performed at a temperature of 80° C. for 30 minutes or more in order to remove the water adhering to the carbon fibers and the mold. The dumbbell mold is made of silicone rubber, and the shape of the casting part is 5 mm wide at the center, 25 mm long, 10 mm wide at both ends, and 150 mm long.

上記の真空乾燥後のモールド内に、調製した樹脂を流し込み、オーブンを用いて、昇温速度1.5℃/分で75℃の温度まで上昇し2時間保持後、昇温速度1.5℃/分で125℃の温度まで上昇し2時間保持後、降温速度2.5℃/分で30℃の温度まで降温する。その後、脱型して試験片を得る。 The prepared resin is poured into the mold after the above vacuum drying, and the temperature is raised to 75 ° C. at a temperature increase rate of 1.5 ° C./min using an oven, and after holding for 2 hours, the temperature increase rate is 1.5 ° C. /min to a temperature of 125°C, held for 2 hours, and then lowered to a temperature of 30°C at a cooling rate of 2.5°C/min. After that, the mold is removed to obtain a test piece.

上記の手順で得られた試験片に繊維軸方向(長手方向)に歪速度0.3%/秒で引張力を与え、歪みを12%生じさせた後、偏光顕微鏡により試験片中心部22mmの範囲における繊維破断数N(個)を測定する。次に、平均破断繊維長laを、la(μm)=22×1000(μm)/N(個)の式により計算する。次に、平均破断繊維長laから臨界繊維長lcを、lc(μm)=(4/3)×la(μm)の式により計算する。さらに、ストランド引張強度σと炭素繊維単糸の直径dを測定し、次式より算出した値を本発明における「界面剪断強度」とする。
・界面剪断強度IFSS(MPa)=σ(MPa)×d(μm)/(2×lc)(μm)。
Tensile force was applied to the test piece obtained by the above procedure at a strain rate of 0.3% / sec in the fiber axis direction (longitudinal direction) to cause a strain of 12%. Measure the number of fiber breaks N (pieces) in the range. Next, the average broken fiber length la is calculated by the formula la (μm)=22×1000 (μm)/N (pieces). Next, the critical fiber length lc is calculated from the average broken fiber length la by the formula lc (μm)=(4/3)×la (μm). Furthermore, the strand tensile strength σ and the diameter d of the carbon fiber single yarn are measured, and the value calculated from the following equation is defined as the "interfacial shear strength" in the present invention.
- Interfacial shear strength IFSS (MPa) = σ (MPa) x d (μm) / (2 x lc) (μm).

本発明の炭素繊維強化複合材料は、エポキシ樹脂組成物の硬化物が高次構造を有することで、驚くべきことに優れたモードI層間靱性を発現する。これは、炭素繊維強化複合材料内にクラックが進展する際、樹脂組成物の硬化物中に存在する高次構造を崩すのにエネルギーを多く必要とするためと考えられる。 The carbon fiber-reinforced composite material of the present invention exhibits surprisingly excellent mode I interlaminar toughness because the cured epoxy resin composition has a higher-order structure. This is presumably because when cracks develop in the carbon fiber reinforced composite material, a large amount of energy is required to destroy the higher-order structure present in the cured product of the resin composition.

ここでいう高次構造とは、エポキシ樹脂組成物の硬化後又は半硬化後に分子が配向配列している状態を意味し、例えば、硬化物中に結晶構造又は液晶構造が存在する状態を意味する。 The term "higher-order structure" as used herein means a state in which molecules are aligned after curing or semi-curing of the epoxy resin composition, for example, a state in which a crystalline structure or liquid crystal structure exists in the cured product. .

以下、本発明のプリプレグが充足すべき条件[II]について説明する。樹脂組成物の硬化物中の高次構造の有無は、偏光顕微鏡を用いた光学的異方性の有無を調べることで確かめることができる。光学的異方性を有する構造のサイズが可視光波長オーダー同等以上の場合には、クロスニコル状態での偏光顕微鏡にて干渉模様(明視野)が観察される。高次構造を形成していない、もしくは形成された高次構造のサイズが可視光波長オーダーより小さい場合には、光学的異方性を有しないため暗視野が観察される。すなわち、本発明の条件[II]を満たすとは、クロスニコル偏光顕微鏡観察で、樹脂組成物の硬化物を観察した際に干渉模様(明視野)が観察されることを意味する。液晶構造の場合には、形成する液晶相の種類によって観察される干渉模様が多岐に渡ることが知られている。観察される干渉模様の具体例としては、高次構造がネマチック相構造の場合には、シュリーレン組織、糸状組織、砂状組織、ドロプレット組織が挙げられ、スメクチック相構造の場合には、バトネ組織、フォーカルコニックファン組織、オイリーストリーク組織などが挙げられる。 Condition [II] to be satisfied by the prepreg of the present invention will be described below. The presence or absence of a higher-order structure in the cured product of the resin composition can be confirmed by examining the presence or absence of optical anisotropy using a polarizing microscope. When the size of the structure having optical anisotropy is equal to or larger than the visible light wavelength order, an interference pattern (bright field) is observed with a polarizing microscope in the crossed Nicols state. When no higher-order structure is formed, or when the size of the formed higher-order structure is smaller than the visible light wavelength order, a dark field is observed due to no optical anisotropy. That is, satisfying the condition [II] of the present invention means that an interference pattern (bright field) is observed when the cured product of the resin composition is observed with a crossed Nicol polarizing microscope. In the case of a liquid crystal structure, it is known that the observed interference pattern varies depending on the type of liquid crystal phase to be formed. Specific examples of the observed interference patterns include schlieren textures, filamentous textures, sandy textures, and droplet textures when the higher-order structure is a nematic phase structure. Examples include focal conic fan tissue and oily streak tissue.

本発明のプリプレグまたは炭素繊維強化複合材料において、条件[II]の充足性を確かめる偏光顕微鏡観察の手法として透過法が用いられる。透過法での偏光顕微鏡観察の場合には、対象試験片が厚すぎると、可視光が十分透過せず干渉模様の有無を判断することが困難になる。可視光を透過させるために、プリプレグ1プライを硬化させた試験片もしくは、炭素繊維強化複合材料を繊維方向に削り10μm程度に薄膜化させた試験片を用いる。試験片について、構成要素[A]を除く、エポキシ樹脂組成物の硬化物について偏光顕微鏡観察を行い、上記干渉模様の有無で高次構造形成の有無を確認することができる。 In the prepreg or carbon fiber reinforced composite material of the present invention, a transmission method is used as a polarizing microscope observation method for confirming whether the condition [II] is satisfied. In the case of polarizing microscope observation by the transmission method, if the target test piece is too thick, visible light is not sufficiently transmitted, making it difficult to determine the presence or absence of an interference pattern. In order to transmit visible light, a test piece obtained by curing one ply of prepreg or a test piece obtained by shaving a carbon fiber reinforced composite material in the fiber direction to reduce the thickness to about 10 μm is used. With respect to the test piece, the cured product of the epoxy resin composition, excluding the component [A], is observed with a polarizing microscope, and the presence or absence of the interference pattern can be used to confirm the presence or absence of formation of a higher-order structure.

以下、本発明のプリプレグが充足することが好適な条件[III]について説明する。本発明のプリプレグおよび炭素繊維強化複合材料は、樹脂組成物の硬化物中に高次構造を含み、特に、高次構造としてスメクチック相構造であることで、高いモードI層間靱性を発現する。スメクチック相構造を形成している場合には、上記条件[II]に加えて、X線回折において一般的には回折角度2θ≦10°の領域に高次構造に由来したピークが観測される。この範囲のピークの有無により、スメクチック相構造の有無を確認することができる。本発明では、構成要素[C]中、または構成要素[B]、[C]両方中に存在するメソゲン構造(ビフェニル基、ターフェニル基、ターフェニル類縁基、アントラセン基、これらがアゾメチン基、又はエステル基で接続された基等)に基づく周期構造(高次構造)にあたり、回折角度2θ=1.0~6.0°の範囲にピークを有する。すなわち、条件[III]を満たすとは、メソゲン構造により形成されるスメクチック相構造由来のピークである、回折角度2θ=1.0~6.0°の範囲のピークが広角X線回折により観察されることを意味する。X線回折によって観測されるピークの回折角度2θの範囲は、1.0~6.0°であることが重要であり、好ましくは2.0~4.0°である。厚さ1mmで成形した炭素繊維強化複合材料を用いて、長さ20mm、幅10mmの測定試料を用意する。用意された測定試料について、広角X線回折装置を用いて、次の条件により測定を行う。
・X線源:CuKα線(管電圧45kV、管電流40mA)
・検出器:ゴニオメーター+モノクロメーター+シンチレーションカウンター
・走査範囲:2θ=1~90°
・走査モード:ステップスキャン、ステップ単位0.1°、計数時間40秒。
Condition [III] that the prepreg of the present invention preferably satisfies will be described below. The prepreg and carbon fiber reinforced composite material of the present invention contain a higher-order structure in the cured product of the resin composition, and in particular, exhibit high mode I interlaminar toughness because the higher-order structure is a smectic phase structure. When a smectic phase structure is formed, in addition to the above condition [II], a peak derived from a higher-order structure is generally observed in the region of the diffraction angle 2θ≦10° in X-ray diffraction. The presence or absence of a smectic phase structure can be confirmed by the presence or absence of peaks in this range. In the present invention, a mesogenic structure (biphenyl group, terphenyl group, terphenyl analogous group, anthracene group, azomethine group, or It corresponds to a periodic structure (higher-order structure) based on a group connected by an ester group, etc.), and has a peak in the range of the diffraction angle 2θ=1.0 to 6.0°. That is, when the condition [III] is satisfied, a peak in the range of diffraction angle 2θ = 1.0 to 6.0°, which is a peak derived from a smectic phase structure formed by a mesogenic structure, is observed by wide-angle X-ray diffraction. means that It is important that the diffraction angle 2θ range of peaks observed by X-ray diffraction be 1.0 to 6.0°, preferably 2.0 to 4.0°. A measurement sample having a length of 20 mm and a width of 10 mm is prepared using a carbon fiber reinforced composite material molded with a thickness of 1 mm. A prepared measurement sample is measured using a wide-angle X-ray diffraction device under the following conditions.
・X-ray source: CuK α ray (tube voltage 45 kV, tube current 40 mA)
・Detector: goniometer + monochromator + scintillation counter ・Scanning range: 2θ = 1 to 90°
• Scanning mode: step scan, step unit 0.1°, counting time 40 seconds.

X線回折の測定は、炭素繊維強化複合材料内の炭素繊維軸に対して平行(0°)、垂直(90°)、45°に対して行う。 X-ray diffraction measurements are made parallel (0°), perpendicular (90°) and 45° to the carbon fiber axis within the carbon fiber reinforced composite.

樹脂組成物の硬化物の高次構造は構成要素[A]の炭素繊維に対していずれの方向を向いても良いが、炭素繊維軸に対して垂直な方向のみ周期構造を有する場合、炭素繊維由来の強いピークにより、X線回折では樹脂組成物由来のピークが観測できないことがある。その場合、炭素繊維を除いた樹脂組成物の硬化板にてX線回折により測定を行うことで、周期構造の有無の確認できる。別の確認手法としては、放射光の利用も有効である。ビーム径を数μm程度まで絞りこむことにより、構成要素[A]を除いた、構成要素[B]および[C]を含む樹脂組成物の硬化物のみの測定が可能となり、高次構造形成の有無を確認することが可能となる。 The higher-order structure of the cured product of the resin composition may be oriented in any direction with respect to the carbon fibers of the component [A]. Due to the strong peak derived from the resin composition, the peak derived from the resin composition may not be observed in X-ray diffraction. In that case, the presence or absence of the periodic structure can be confirmed by performing X-ray diffraction measurement on a cured plate of the resin composition excluding the carbon fiber. As another confirmation method, use of synchrotron radiation is also effective. By narrowing down the beam diameter to about several μm, it becomes possible to measure only the cured resin composition containing the constituent elements [B] and [C], excluding the constituent element [A]. It is possible to check the presence or absence.

本発明のプリプレグおよび炭素繊維強化複合材料は、樹脂組成物の硬化物が、分子異方性を示す樹脂領域を含むことが好ましい。ここでいう異方性を有する樹脂領域とは、1μm径以上の大きさで分子が一方向配列した配向ドメインを示す。確認方法としては、例えば、炭素繊維強化複合材料中の樹脂領域の5~10箇所について、任意の方位を0°とし、偏光方位を0°~150°まで30°間隔で変化させて偏光IRあるいは偏光ラマン分光を測定し、偏光方位に対して信号強度の変化の有無をみることで確認することができる。異方性を持たない樹脂組成物では、偏光方位に対して強度変化は見られない。 In the prepreg and carbon fiber reinforced composite material of the present invention, the cured resin composition preferably contains a resin region exhibiting molecular anisotropy. The term “anisotropic resin region” as used herein refers to an oriented domain in which molecules are arranged in one direction and have a diameter of 1 μm or more. As a confirmation method, for example, for 5 to 10 locations in the resin region in the carbon fiber reinforced composite material, an arbitrary orientation is set to 0 °, and the polarization orientation is changed at intervals of 30 ° from 0 ° to 150 °, and polarized IR or It can be confirmed by measuring the polarization Raman spectroscopy and checking the presence or absence of change in the signal intensity with respect to the polarization direction. In a resin composition having no anisotropy, no intensity change is observed with respect to the polarization direction.

以下、本発明のプリプレグが充足することが好適な条件[IV]について説明する。本発明のプリプレグおよび炭素繊維複合材料は、樹脂組成物を硬化して得られる硬化物が、示差走査熱量分析において、250℃以上に液晶相転移に起因する吸熱ピークを有する。より好ましくは280℃以上、さらに好ましくは300℃以上の範囲に有することが好ましい。樹脂硬化物の液晶相転移に起因する吸熱ピークがかかる温度になることで、樹脂硬化物が液晶相を維持する温度域が広くなり、高温でも優れた力学特性が発現する樹脂硬化物が得られる。また、液晶相転移温度が高いほどより強固な高次構造を形成しているため、樹脂硬化物および炭素繊維複合材料は優れた力学特性を発現する傾向がある。確認方法としては、窒素雰囲気下で樹脂硬化物の示差走査熱量分析を行い、昇温速度を5℃/分として50℃から400℃まで昇温した際の熱流量における吸熱ピークの有無で確認することができる。示差走査熱量分析による液晶性の確認には、樹脂硬化物を用いてもよいし、炭素繊維複合材料を用いてもよい。示差走査熱量分析により観察された吸熱ピークが、液晶相転移に起因するか否かについては、プリプレグ1プライを硬化させた試験片もしくは、炭素繊維強化複合材料を繊維方向に削り10μm程度に薄膜化させた試験片を、クロスニコル状態での偏光顕微鏡観察をした際に対象の吸熱ピーク近傍で干渉模様の変化があるか確かめることで判断できる。干渉模様に変化がある場合には、液晶相転移由来と判断することができる。 Condition [IV] that the prepreg of the present invention preferably satisfies will be described below. In the prepreg and carbon fiber composite material of the present invention, the cured product obtained by curing the resin composition has an endothermic peak due to liquid crystal phase transition at 250° C. or higher in differential scanning calorimetry. It is more preferably in the range of 280°C or higher, still more preferably in the range of 300°C or higher. By reaching a temperature at which the endothermic peak due to the liquid crystal phase transition of the cured resin material occurs, the temperature range in which the cured resin material maintains the liquid crystal phase is widened, and a cured resin material that exhibits excellent mechanical properties even at high temperatures can be obtained. . In addition, since the higher the liquid crystal phase transition temperature, the stronger the higher-order structure is formed, the cured resin and the carbon fiber composite material tend to exhibit excellent mechanical properties. As a confirmation method, differential scanning calorimetric analysis of the resin cured product is performed in a nitrogen atmosphere, and the presence or absence of an endothermic peak in the heat flow when the temperature is raised from 50 ° C. to 400 ° C. at a temperature increase rate of 5 ° C./min is confirmed. be able to. For confirmation of liquid crystallinity by differential scanning calorimetry, a resin cured product or a carbon fiber composite material may be used. Regarding whether or not the endothermic peak observed by differential scanning calorimetry is caused by the liquid crystal phase transition, a test piece obtained by curing one ply of prepreg or a carbon fiber reinforced composite material was scraped in the fiber direction and thinned to about 10 μm. It can be determined by confirming whether or not there is a change in the interference pattern near the endothermic peak of interest when observing the test piece with crossed Nicols under a polarizing microscope. If there is a change in the interference pattern, it can be determined to be due to the liquid crystal phase transition.

X線回折によって観測される回折角度2θ=1.0°~6.0°に由来する高次構造を、硬化後に樹脂組成物が有する範囲において本発明の炭素繊維強化複合材料の成形条件は特に限定されないが、成形温度が高すぎると、使用する装置や副資材に高い耐熱性が必要となり、炭素繊維強化複合材料の製造コストが高額となる。また、成形温度が低すぎると、構成要素[B][C]の反応に長時間を要し、これも製造コストの増加をまねく恐れがある。成形に用いる最高温度は、100~220℃が好ましく、120~200℃がさらに好ましい。 The molding conditions for the carbon fiber reinforced composite material of the present invention are particularly limited to the extent that the resin composition after curing has a higher-order structure derived from the diffraction angle 2θ = 1.0° to 6.0° observed by X-ray diffraction. Although not limited, if the molding temperature is too high, the equipment and secondary materials used will need to have high heat resistance, and the production cost of the carbon fiber reinforced composite material will be high. On the other hand, if the molding temperature is too low, it takes a long time for the components [B] and [C] to react, which may also lead to an increase in production costs. The maximum temperature used for molding is preferably 100 to 220°C, more preferably 120 to 200°C.

構成要素[B]のエポキシ樹脂は、本発明のプリプレグおよび炭素繊維強化複合材料中の樹脂組成物の硬化物が高次構造を有するために、メソゲン構造を有して液晶性を示す、いわゆる液晶性エポキシ樹脂が好ましい。メソゲン構造(ビフェニル基、ターフェニル基、ターフェニル類縁基、アントラセン基、これらがアゾメチン基、又はエステル基で接続された基等)を有することで、その構造に由来する高次構造(周期構造ともいう)が形成される。 The epoxy resin of the component [B] has a mesogenic structure and exhibits liquid crystallinity because the cured product of the resin composition in the prepreg and carbon fiber reinforced composite material of the present invention has a higher-order structure, so-called liquid crystal. curable epoxy resins are preferred. By having a mesogenic structure (biphenyl group, terphenyl group, terphenyl analogous group, anthracene group, azomethine group, group connected by an ester group, etc.), a higher-order structure derived from the structure (also called a periodic structure ) is formed.

構成要素[B]が液晶性エポキシ樹脂である場合のメソゲン構造としては、下記一般式(2)で表される構造を有するエポキシ樹脂が好ましい。 As the mesogenic structure when the component [B] is a liquid crystalline epoxy resin, an epoxy resin having a structure represented by the following general formula (2) is preferable.

Figure 0007287171000004
Figure 0007287171000004

(一般式(2)中Q、Q、Qはそれぞれ群(III)より選択される1種の構造を含む。一般式(2)中のR、Rはそれぞれ炭素数1~6のアルキレン基を示す。一般式(2)中のZは各々独立に、炭素数1~8の脂肪族炭化水素基、炭素数1~8の脂肪族アルコキシ基、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子、シアノ基、ニトロ基、又はアセチル基を示す。nは各々独立に0~4の整数を示す。一般式(2)および群(III)中のY、Y、Yは、単結合もしくは群(IV)より1つ選択される。) (Q 1 , Q 2 and Q 3 in general formula (2) each contain one structure selected from group (III). R 1 and R 2 in general formula (2) each have 1 to 1 carbon atoms. represents an alkylene group of 6. Each Z in the general formula (2) is independently an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 8 carbon atoms, an aliphatic alkoxy group having 1 to 8 carbon atoms, a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine represents an atom, an iodine atom, a cyano group, a nitro group, or an acetyl group, n is each independently an integer of 0 to 4. Y 1 , Y 2 and Y 3 in general formula (2) and group (III). is selected from a single bond or group (IV).)

Figure 0007287171000005
Figure 0007287171000005

Figure 0007287171000006
Figure 0007287171000006

群(III)におけるZは、各々独立に、炭素数1~4の脂肪族炭化水素基、炭素数1~4の脂肪族アルコキシ基、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子、シアノ基、ニトロ基、又はアセチル基であることが好ましく、メチル基、エチル基、メトキシ基、エトキシ基、又は塩素原子であることがより好ましく、メチル基又はエチル基であることが更に好ましい。群(III)におけるnは、各々独立に、0~2の整数であることが好ましく、0又は1であることがより好ましい。 Z in group (III) each independently represents an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 4 carbon atoms, an aliphatic alkoxy group having 1 to 4 carbon atoms, a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, an iodine atom, a cyano group, A nitro group or an acetyl group is preferable, a methyl group, an ethyl group, a methoxy group, an ethoxy group or a chlorine atom is more preferable, and a methyl group or an ethyl group is even more preferable. Each n in group (III) is preferably an integer of 0 to 2, more preferably 0 or 1, independently.

構成要素[B]が液晶性エポキシ樹脂である場合のメソゲン構造は、割合が多い方が硬化後に樹脂は高次構造を形成し易いが、多過ぎると軟化点が高くなり、ハンドリング性が低下する。そのため、一般式(2)中のメソゲン構造の数は2つが特に好ましい。ここで、本発明における軟化点とは、JIS-K7234(1986)規定の環球法により、リングに注型した試料を浴槽中にて昇温し、試料にセットした球が光センサーを横切ったときの温度を示す。 When the constituent element [B] is a liquid crystalline epoxy resin, the mesogenic structure tends to form a higher-order structure after curing when the proportion is large, but when the proportion is too large, the softening point increases and the handling property decreases. . Therefore, the number of mesogenic structures in general formula (2) is particularly preferably two. Here, the softening point in the present invention means that a sample cast into a ring is heated in a bath according to the ring and ball method specified in JIS-K7234 (1986), and the ball set in the sample crosses the optical sensor. indicates the temperature of

一般式(2)中のQ、Q、Qがベンゼン環を含むと、構成要素[B]の構造が剛直になるため高次構造形成し易くなり、靱性向上に有利となるため好ましい。また、一般式(2)中のQ、Q、Qが脂環式炭化水素を含むと、軟化点が低くなりハンドリング性が向上するため、これも好ましい態様となる。構成要素[B]のエポキシ樹脂は、1種類単独で用いても良く、2種類以上を併用しても良い。 When Q 1 , Q 2 , and Q 3 in the general formula (2) contain a benzene ring, the structure of the component [B] becomes rigid, which facilitates the formation of a higher-order structure, which is advantageous for improving toughness, which is preferable. . In addition, when Q 1 , Q 2 and Q 3 in the general formula (2) contain an alicyclic hydrocarbon, the softening point is lowered and the handleability is improved, so this is also a preferred embodiment. The epoxy resin of the component [B] may be used singly or in combination of two or more.

構成要素[B]は公知の方法により製造することができ、特許第4619770号公報、特開2005-206814、特開2010-241797、特開2011-98952号公報、特開2011-74366号公報、Journal of Polymer Science: Part A:Polymer Chemistry,Vol.42,3631(2004)等に記載の製造方法を参照することができる。 The component [B] can be produced by a known method, and can be produced by the following methods: Japanese Patent No. 4619770; Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, Vol. 42, 3631 (2004) and the like can be referred to.

構成要素[B]の具体例としては、1,4-ビス{4-(オキシラニルメトキシ)フェニル}シクロヘキサン、1-{3-メチル-4-(オキシラニルメトキシ)フェニル-4-{4-(オキシラニルメトキシ)フェニル}シクロヘキサン、1,4-ビス{4-(オキシラニルメトキシ)フェニル}-1-シクロヘキセン、1-{3-メチル-4-(オキシラニルメトキシ)フェニル}-4-{4-(オキシラニルメトキシ)フェニル}-1-シクロヘキセン、1-{2-メチル-4-(オキシラニルメトキシ)フェニル}-4-{4-(オキシラニルメトキシ)フェニル}-1-シクロヘキセン、1-{3-エチル-4-(オキシラニルメトキシ)フェニル}-4-{4-(オキシラニルメトキシ)フェニル}-1-シクロヘキセン、1-{2-エチル-4-(オキシラニルメトキシ)フェニル}-4-{4-(オキシラニルメトキシ)フェニル}-1-シクロヘキセン、1-{3-n-プロピル-4-(オキシラニルメトキシ)フェニル}-4-{4-(オキシラニルメトキシ)フェニル}-1-シクロヘキセン、1-{3-イソプロピル-4-(オキシラニルメトキシ)フェニル}-4-{4-(オキシラニルメトキシ)フェニル}-1-シクロヘキセン、1,4-ビス{4-(オキシラニルメトキシ)フェニル}-2-シクロヘキセン、1-{3-メチル-4-(オキシラニルメトキシ)フェニル}-4-{4-(オキシラニルメトキシ)フェニル}-2-シクロヘキセン、1,4-ビス{4-(オキシラニルメトキシ)フェニル}-2,5-シクロヘキサジエン、1-{3-メチル-4-(オキシラニルメトキシ)フェニル}-4-{4-(オキシラニルメトキシ)フェニル}-2,5-シクロヘキサジエン、1,4-ビス{4-(オキシラニルメトキシ)フェニル}-1,5-シクロヘキサジエン、1-{3-メチル-4-(オキシラニルメトキシ)フェニル}-4-{4-(オキシラニルメトキシ)フェニル}-1,5-シクロヘキサジエン、1,4-ビス{4-(オキシラニルメトキシ)フェニル}-1,4-シクロヘキサジエン、1-{3-メチル-4-(オキシラニルメトキシ)フェニル}-4-{4-(オキシラニルメトキシ)フェニル}-1,4-シクロヘキサジエン、1,4-ビス{4-(オキシラニルメトキシ)フェニル}-1,3-シクロヘキサジエン、1-{3-メチル-4-(オキシラニルメトキシ)フェニル}-4-{4-(オキシラニルメトキシ)フェニル}-1,3-シクロヘキサジエン、1,4-ビス{4-(オキシラニルメトキシ)フェニル}ベンゼン、1-{3-メチル-4-(オキシラニルメトキシ)フェニル}-4-{4-(オキシラニルメトキシ)フェニル}ベンゼン、1,4-フェニレン-ビス{4-(2,3-エポキシプロポキシ)ベンゾエート}、1,4-フェニレン-ビス{4-(2,3-エポキシプロポキシ)-2-メチルベンゾエート}、1,4-フェニレン-ビス{4-(2,3-エポキシプロポキシ)-3-メチルベンゾエート}、1,4-フェニレン-ビス{4-(2,3-エポキシプロポキシ)-3,5-ジメチルベンゾエート}、1,4-フェニレン-ビス{4-(2,3-エポキシプロポキシ)-2,6-ジメチルベンゾエート}、2-メチル-1,4-フェニレン-ビス{4-(2,3-エポキシプロポキシ)ベンゾエート}、2-メトキシ-1,4-フェニレン-ビス(4-ヒドロキシベンゾエート)、2-メチル-1,4-フェニレン-ビス{4-(2,3-エポキシプロポキシ)-2-メチルベンゾエート}、2-メチル-1,4-フェニレン-ビス{4-(2,3-エポキシプロポキシ)-3-メチルベンゾエート}、2-メチル-1,4-フェニレン-ビス{4-(2,3-エポキシプロポキシ)-3,5-ジメチルベンゾエート}、2-メチル-1,4-フェニレン-ビス{4-(2,3-エポキシプロポキシ)-2,6-ジメチルベンゾエート}、2,6-ジメチル-1,4-フェニレン-ビス{4-(2,3-エポキシプロポキシ)ベンゾエート}、2,6-ジメチル-1,4-フェニレン-ビス{4-(2,3-エポキシプロポキシ)-3-メチルベンゾエート}、2,6-ジメチル-1,4-フェニレン-ビス{4-(2,3-エポキシプロポキシ)-3,5-ジメチルベンゾエート}、2,3,6-トリメチル-1,4-フェニレン-ビス{4-(2,3-エポキシプロポキシ)ベンゾエート}、2,3,6-トリメチル-1,4-フェニレン-ビス{4-(2,3-エポキシプロポキシ)-2,6-ジメチルベンゾエート}、2,3,5,6-テトラメチル-1,4-フェニレン-ビス{4-(2,3-エポキシプロポキシ)ベンゾエート}、2,3,5,6-テトラメチル-1,4-フェニレン-ビス{4-(2,3-エポキシプロポキシ)-3-メチルベンゾエート}および2,3,5,6-テトラメチル-1,4-フェニレン-ビス{4-(2,3-エポキシプロポキシ)-3,5-ジメチルベンゾエート}、2-メチル-1,4-フェニレン-ビス{4-(3-オキサ-5,6-エポキシヘキシルオキシ)ベンゾエート}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、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)-2-メチルベンゾエート、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)-3-メチルベンゾエート、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)-3-エチルベンゾエート、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)-2-イソプロピルベンゾエートおよび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)-3,5-ジメチルベンゾエート、1,4-ビス{4-(3-オキサ-5,6-エポキシヘキシルオキシ)フェニル}-1-シクロヘキセン、1-{4-(3-オキサ-5,6-エポキシヘキシルオキシ)-3-メチルフェニル}-4-{4-(3-オキサ-5,6-エポキシヘキシルオキシ)フェニル}-1-シクロヘキセン、1,4-ビス{4-(5-メチル-3-オキサ-5,6-エポキシヘキシルオキシ)フェニル}-1-シクロヘキセン、1-{4-(5-メチル-3-オキサ-5,6-エポキシヘキシルオキシ)-3-メチルフェニル}-4-{4-(5-メチル-3-オキサ-5,6-エポキシヘキシルオキシ)フェニル}-1-シクロヘキセン、1,4-ビス{4-(4-メチル-4,5-エポキシペンチルオキシ)フェニル}-1-シクロヘキセン、1,4-ビス{4-(3-オキサ-5,6-エポキシヘキシルオキシ)フェニル}ベンゼン、1-{4-(3-オキサ-5,6-エポキシヘキシルオキシ)-3-メチルフェニル}-4-{4-(3-オキサ-5,6-エポキシヘキシルオキシ)フェニル}ベンゼン、1,4-ビス{4-(5-メチル-3-オキサ-5,6-エポキシヘキシルオキシ)フェニル}ベンゼン、1-{4-(5-メチル-3-オキサ-5,6-エポキシヘキシルオキシ)-3-メチルフェニル}-4-{4-(5-メチル-3-オキサ-5,6-エポキシヘキシルオキシ)フェニル}ベンゼン、1,4-ビス{4-(4-メチル-4,5-エポキシペンチルオキシ)フェニル}ベンゼン、1,4-ビス{4-(3-オキサ-5,6-エポキシヘキシルオキシ)フェニル}シクロヘキサン、1-{4-(3-オキサ-5,6-エポキシヘキシルオキシ)-3-メチルフェニル}-4-{4-(3-オキサ-5,6-エポキシヘキシルオキシ)フェニル}シクロヘキサン、1,4-ビス{4-(5-メチル-3-オキサ-5,6-エポキシヘキシルオキシ)フェニル}シクロヘキサン、1-{4-(5-メチル-3-オキサ-5,6-エポキシヘキシルオキシ)-3-メチルフェニル}-4-{4-(5-メチル-3-オキサ-5,6-エポキシヘキシルオキシ)フェニル}シクロヘキサン、1,4-ビス{4-(4-メチル-4,5-エポキシペンチルオキシ)フェニル}シクロヘキサンなどが挙げられ、中でも、硬化後の高次構造の形成、ハンドリング性、原料の入手容易性から、1-(3-メチル-4-オキシラニルメトキシフェニル)-4-(4-オキシラニルメトキシフェニル)-1-シクロヘキセン、2-メチル-1,4-フェニレン-ビス{4-(2,3-エポキシプロポキシ)ベンゾエート}、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、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)-3-メチルベンゾエートが特に好ましい。 Specific examples of the component [B] include 1,4-bis{4-(oxiranylmethoxy)phenyl}cyclohexane, 1-{3-methyl-4-(oxiranylmethoxy)phenyl-4-{4 -(oxiranylmethoxy)phenyl}cyclohexane, 1,4-bis{4-(oxiranylmethoxy)phenyl}-1-cyclohexene, 1-{3-methyl-4-(oxiranylmethoxy)phenyl}- 4-{4-(oxiranylmethoxy)phenyl}-1-cyclohexene, 1-{2-methyl-4-(oxiranylmethoxy)phenyl}-4-{4-(oxiranylmethoxy)phenyl}- 1-cyclohexene, 1-{3-ethyl-4-(oxiranylmethoxy)phenyl}-4-{4-(oxiranylmethoxy)phenyl}-1-cyclohexene, 1-{2-ethyl-4-( oxiranylmethoxy)phenyl}-4-{4-(oxiranylmethoxy)phenyl}-1-cyclohexene, 1-{3-n-propyl-4-(oxiranylmethoxy)phenyl}-4-{4 -(oxiranylmethoxy)phenyl}-1-cyclohexene, 1-{3-isopropyl-4-(oxiranylmethoxy)phenyl}-4-{4-(oxiranylmethoxy)phenyl}-1-cyclohexene, 1,4-bis{4-(oxiranylmethoxy)phenyl}-2-cyclohexene, 1-{3-methyl-4-(oxiranylmethoxy)phenyl}-4-{4-(oxiranylmethoxy) Phenyl}-2-cyclohexene, 1,4-bis{4-(oxiranylmethoxy)phenyl}-2,5-cyclohexadiene, 1-{3-methyl-4-(oxiranylmethoxy)phenyl}-4 -{4-(oxiranylmethoxy)phenyl}-2,5-cyclohexadiene, 1,4-bis{4-(oxiranylmethoxy)phenyl}-1,5-cyclohexadiene, 1-{3-methyl -4-(oxiranylmethoxy)phenyl}-4-{4-(oxiranylmethoxy)phenyl}-1,5-cyclohexadiene, 1,4-bis{4-(oxiranylmethoxy)phenyl}- 1,4-cyclohexadiene, 1-{3-methyl-4-(oxiranylmethoxy)phenyl}-4-{4-(oxiranylmethoxy)phenyl}-1,4-cyclohexadiene, 1,4- Bis{4-(oxiranylmethoxy)phenyl}-1,3-cyclohexadiene, 1-{3-methyl-4-(oxiranylmethoxy)phenyl}-4-{4-(oxiranylmethoxy)phenyl }-1,3-cyclohexadiene, 1,4-bis{4-(oxiranylmethoxy)phenyl}benzene, 1-{3-methyl-4-(oxiranylmethoxy)phenyl}-4-{4- (oxiranylmethoxy)phenyl}benzene, 1,4-phenylene-bis{4-(2,3-epoxypropoxy)benzoate}, 1,4-phenylene-bis{4-(2,3-epoxypropoxy)- 2-methylbenzoate}, 1,4-phenylene-bis{4-(2,3-epoxypropoxy)-3-methylbenzoate}, 1,4-phenylene-bis{4-(2,3-epoxypropoxy)- 3,5-dimethylbenzoate}, 1,4-phenylene-bis{4-(2,3-epoxypropoxy)-2,6-dimethylbenzoate}, 2-methyl-1,4-phenylene-bis{4-( 2,3-epoxypropoxy)benzoate}, 2-methoxy-1,4-phenylene-bis(4-hydroxybenzoate), 2-methyl-1,4-phenylene-bis{4-(2,3-epoxypropoxy) -2-methylbenzoate}, 2-methyl-1,4-phenylene-bis{4-(2,3-epoxypropoxy)-3-methylbenzoate}, 2-methyl-1,4-phenylene-bis{4- (2,3-epoxypropoxy)-3,5-dimethylbenzoate}, 2-methyl-1,4-phenylene-bis{4-(2,3-epoxypropoxy)-2,6-dimethylbenzoate}, 2, 6-dimethyl-1,4-phenylene-bis{4-(2,3-epoxypropoxy)benzoate}, 2,6-dimethyl-1,4-phenylene-bis{4-(2,3-epoxypropoxy)- 3-methylbenzoate}, 2,6-dimethyl-1,4-phenylene-bis{4-(2,3-epoxypropoxy)-3,5-dimethylbenzoate}, 2,3,6-trimethyl-1,4 -phenylene-bis{4-(2,3-epoxypropoxy)benzoate}, 2,3,6-trimethyl-1,4-phenylene-bis{4-(2,3-epoxypropoxy)-2,6-dimethyl benzoate}, 2,3,5,6-tetramethyl-1,4-phenylene-bis{4-(2,3-epoxypropoxy)benzoate}, 2,3,5,6-tetramethyl-1,4- Phenylene-bis{4-(2,3-epoxypropoxy)-3-methylbenzoate} and 2,3,5,6-tetramethyl-1,4-phenylene-bis{4-(2,3-epoxypropoxy) -3,5-dimethylbenzoate}, 2-methyl-1,4-phenylene-bis{4-(3-oxa-5,6-epoxyhexyloxy)benzoate} 4-{4-(2,3-epoxypropoxy ) phenyl}cyclohexyl 4-(2,3-epoxypropoxy)benzoate, 4-{4-(2,3-epoxypropoxy)phenyl}cyclohexyl 4-(2,3-epoxypropoxy)-2-methylbenzoate, 4- {4-(2,3-epoxypropoxy)phenyl}cyclohexyl 4-(2,3-epoxypropoxy)-3-methylbenzoate, 4-{4-(2,3-epoxypropoxy)phenyl}cyclohexyl 4-(2 ,3-epoxypropoxy)-3-ethylbenzoate, 4-{4-(2,3-epoxypropoxy)phenyl}cyclohexyl 4-(2,3-epoxypropoxy)-2-isopropylbenzoate and 4-{4-( 2,3-epoxypropoxy)phenyl}cyclohexyl 4-(2,3-epoxypropoxy)-3,5-dimethylbenzoate, 1,4-bis{4-(3-oxa-5,6-epoxyhexyloxy)phenyl }-1-cyclohexene, 1-{4-(3-oxa-5,6-epoxyhexyloxy)-3-methylphenyl}-4-{4-(3-oxa-5,6-epoxyhexyloxy)phenyl }-1-cyclohexene, 1,4-bis{4-(5-methyl-3-oxa-5,6-epoxyhexyloxy)phenyl}-1-cyclohexene, 1-{4-(5-methyl-3- oxa-5,6-epoxyhexyloxy)-3-methylphenyl}-4-{4-(5-methyl-3-oxa-5,6-epoxyhexyloxy)phenyl}-1-cyclohexene, 1,4- bis{4-(4-methyl-4,5-epoxypentyloxy)phenyl}-1-cyclohexene, 1,4-bis{4-(3-oxa-5,6-epoxyhexyloxy)phenyl}benzene, 1 -{4-(3-oxa-5,6-epoxyhexyloxy)-3-methylphenyl}-4-{4-(3-oxa-5,6-epoxyhexyloxy)phenyl}benzene, 1,4- bis{4-(5-methyl-3-oxa-5,6-epoxyhexyloxy)phenyl}benzene, 1-{4-(5-methyl-3-oxa-5,6-epoxyhexyloxy)-3- methylphenyl}-4-{4-(5-methyl-3-oxa-5,6-epoxyhexyloxy)phenyl}benzene, 1,4-bis{4-(4-methyl-4,5-epoxypentyloxy ) phenyl}benzene, 1,4-bis{4-(3-oxa-5,6-epoxyhexyloxy)phenyl}cyclohexane, 1-{4-(3-oxa-5,6-epoxyhexyloxy)-3 -methylphenyl}-4-{4-(3-oxa-5,6-epoxyhexyloxy)phenyl}cyclohexane, 1,4-bis{4-(5-methyl-3-oxa-5,6-epoxyhexyl) oxy)phenyl}cyclohexane, 1-{4-(5-methyl-3-oxa-5,6-epoxyhexyloxy)-3-methylphenyl}-4-{4-(5-methyl-3-oxa-5 ,6-epoxyhexyloxy)phenyl}cyclohexane, 1,4-bis{4-(4-methyl-4,5-epoxypentyloxy)phenyl}cyclohexane, among others, formation of higher-order structures after curing , 1-(3-methyl-4-oxiranylmethoxyphenyl)-4-(4-oxiranylmethoxyphenyl)-1-cyclohexene, 2-methyl-1,4 -phenylene-bis{4-(2,3-epoxypropoxy)benzoate}, 4-{4-(2,3-epoxypropoxy)phenyl}cyclohexyl 4-(2,3-epoxypropoxy)benzoate, 4-{4 -(2,3-epoxypropoxy)phenyl}cyclohexyl 4-(2,3-epoxypropoxy)-3-methylbenzoate is particularly preferred.

構成要素[B]は、その一部が硬化剤等により部分的に重合したプレポリマーを含んでもよい。構成要素[B]のエポキシ樹脂は一般に結晶化し易く、強化繊維に含浸させるためには高温を必要とするものが多い。構成要素[B]の少なくとも一部を重合させたプレポリマーを含むことは、結晶化が抑制される傾向にあるためハンドリング性が良くなり、好ましい態様である。 The component [B] may contain a prepolymer partially polymerized with a curing agent or the like. The epoxy resin of the component [B] generally tends to crystallize, and many require a high temperature to impregnate the reinforcing fibers. Containing a prepolymer obtained by polymerizing at least a part of the component [B] tends to suppress crystallization, thus improving handleability, which is a preferred embodiment.

構成要素[B]を部分的に重合する方法としては、三級アミン類やイミダゾール類といったアニオン重合触媒や、三フッ化ホウ素-アミン錯体等のルイス酸といったカチオン重合触媒により重合させても良いし、エポキシと反応可能な官能基を有するプレポリマー化剤を用いてもよい。構成要素[B]を部分的に重合する場合、製造するプレポリマーの分子量を制御し易いことから、プレポリマー化剤を用いた方法が好ましい。プレポリマーの分子量が大き過ぎると、炭素繊維強化複合材料内の樹脂の架橋密度が下がり、耐熱性や力学特性を損なう恐れがある。 As a method for partially polymerizing the component [B], polymerization may be performed using an anionic polymerization catalyst such as tertiary amines or imidazoles, or a cationic polymerization catalyst such as a Lewis acid such as a boron trifluoride-amine complex. , a prepolymerizing agent having a functional group capable of reacting with epoxy may be used. When the component [B] is partially polymerized, a method using a prepolymerizing agent is preferable because the molecular weight of the prepolymer to be produced can be easily controlled. If the molecular weight of the prepolymer is too large, the crosslink density of the resin in the carbon fiber reinforced composite material will decrease, possibly impairing heat resistance and mechanical properties.

構成要素[B]を部分的に重合するプレポリマー化剤としては、エポキシと反応可能な活性水素を2~4個有する化合物であれば特に限定されない。例えば、フェノール化合物、アミン化合物、アミド化合物、スルフィド化合物、酸無水物が挙げられる。ここで、活性水素とは有機化合物において窒素、酸素、硫黄と結合していて、反応性の高い水素原子をいう。活性水素が1個の場合、プレポリマーを用いたエポキシ樹脂硬化物の架橋密度が低下するため、耐熱性や力学特性が低くなる恐れがある。活性水素基が5個以上になると、構成要素[B]をプレポリマー化する際に反応の制御が困難となり、ゲル化する恐れがある。プレポリマー化剤として、2~3個の活性水素を有するフェノール化合物は、プレポリマー化反応中のゲル化抑制と、プレポリマーの貯蔵安定性から特に好適である。 The prepolymerizing agent for partially polymerizing the component [B] is not particularly limited as long as it is a compound having 2 to 4 active hydrogens capable of reacting with epoxy. Examples include phenol compounds, amine compounds, amide compounds, sulfide compounds, and acid anhydrides. Here, active hydrogen means a highly reactive hydrogen atom that is bound to nitrogen, oxygen, and sulfur in an organic compound. When there is one active hydrogen, the crosslink density of the epoxy resin cured product using the prepolymer is lowered, so that the heat resistance and mechanical properties may be lowered. If the number of active hydrogen groups is 5 or more, it becomes difficult to control the reaction during prepolymerization of the component [B], and gelation may occur. A phenolic compound having 2 to 3 active hydrogens is particularly suitable as a prepolymerizing agent because of its suppression of gelation during the prepolymerization reaction and the storage stability of the prepolymer.

2~4個の活性水素を有するフェノール化合物の中でも、ベンゼン環を1~2個有するフェノール化合物は、プレポリマー化した構成要素[B]の構造が剛直になるため高次構造形成し易くなり、靱性向上する傾向があることに加えて、プレポリマー、構成要素[B]、硬化剤を含む樹脂組成物の粘度を低く抑えることができ、ハンドリング性が良くなるため好適である。 Among phenolic compounds having 2 to 4 active hydrogens, phenolic compounds having 1 to 2 benzene rings have a rigid structure of the prepolymerized constituent element [B], which makes it easier to form a higher-order structure. In addition to tending to improve toughness, it is possible to keep the viscosity of the resin composition containing the prepolymer, component [B], and curing agent low, thereby improving handleability.

2~3個の活性水素を有するフェノール化合物としては、例えば、カテコール、レゾルシノール、ヒドロキノン、ビスフェノールA、ビスフェノールF、ビスフェノールG、ビスフェノールZ、トリス(4-ヒドロキシフェニル)メタン及びこれらの誘導体が挙げられる。誘導体としては、ベンゼン環に炭素数1~8のアルキル基等が置換した化合物が挙げられる。これらのフェノール化合物は、1種類単独で用いてもよく、2種類以上を併用してもよい。 Phenolic compounds having 2-3 active hydrogens include, for example, catechol, resorcinol, hydroquinone, bisphenol A, bisphenol F, bisphenol G, bisphenol Z, tris(4-hydroxyphenyl)methane and derivatives thereof. Derivatives include compounds in which a benzene ring is substituted with an alkyl group having 1 to 8 carbon atoms or the like. These phenol compounds may be used singly or in combination of two or more.

構成要素[B]に含まれるプレポリマーの分子量は特に制限されない。樹脂組成物の流動性の観点から、数平均分子量は15000以下であることが好ましく、10000以下であることが好ましく、350-5000であることがさらに好ましい。本発明の数平均分子量は、GPC(ゲル浸透クロマトグラフィー、SEC:size exclusion chromatographyともいう)により、標準ポリスチレンを用いた換算分子量を示す。 The molecular weight of the prepolymer contained in component [B] is not particularly limited. From the viewpoint of fluidity of the resin composition, the number average molecular weight is preferably 15,000 or less, preferably 10,000 or less, and more preferably 350 to 5,000. The number average molecular weight of the present invention indicates the molecular weight converted using standard polystyrene by GPC (gel permeation chromatography, also referred to as SEC: size exclusion chromatography).

構成要素[B]を部分的に重合してプレポリマー化する方法としては、特に制限はないが、例えば、合成溶媒中に構成要素[B]、上記プレポリマー化剤を溶解し、熱をかけながら撹持して合成することができる。プレポリマー化反応時にゲル化をしない範囲において、触媒を用いても良い。溶媒を使用せずに合成することは可能であるが、構成要素[B]は融点が高く、無溶媒ではプレポリマー化反応に高温を必要とするため、安全性の観点から合成溶媒を使用した合成法が好ましい。 The method for partially polymerizing and prepolymerizing the component [B] is not particularly limited. For example, the component [B] and the prepolymerizing agent are dissolved in a synthetic solvent and heated. can be synthesized by stirring while A catalyst may be used as long as it does not cause gelation during the prepolymerization reaction. Although it is possible to synthesize without using a solvent, the component [B] has a high melting point and requires a high temperature for the prepolymerization reaction without a solvent, so a synthetic solvent was used from the viewpoint of safety. Synthetic methods are preferred.

構成要素[B]がプレポリマーを含むと結晶化が抑制させる傾向にあるためハンドリング性が良くなるが、含有量が多すぎると、構成要素[B]と硬化剤を含む樹脂組成物の溶融粘度が高くなり過ぎてしまい、強化繊維への含浸が難しくなる恐れがある。構成要素[B]がプレポリマーを含む場合、その含有量は構成要素[B]とプレポリマーの合計100質量部に対して、好ましくは80質量部以下、より好ましくは5~60質量部の範囲である。前述のGPCあるいはHPLC(High performance Liquid chromatography)測定における樹脂組成物中の全エポキシ樹脂由来ピークの面積に占めるプレポリマー由来のピーク面積の割合(プレポリマー由来のピーク面積/樹脂組成物中の全エポキシ樹脂由来のピーク面積)では、好ましくは0.80以下であり、より好ましくは0.05~0.60の範囲である。 When the constituent element [B] contains a prepolymer, crystallization tends to be suppressed, so the handling property is improved. becomes too high, impregnating the reinforcing fibers may become difficult. When the component [B] contains a prepolymer, its content is preferably 80 parts by mass or less, more preferably 5 to 60 parts by mass with respect to the total 100 parts by mass of the component [B] and the prepolymer. is. The ratio of the prepolymer-derived peak area to the total epoxy resin-derived peak area in the resin composition in the above-mentioned GPC or HPLC (High performance Liquid chromatography) measurement (peak area derived from the prepolymer/total epoxy resin composition The peak area derived from the resin) is preferably 0.80 or less, more preferably in the range of 0.05 to 0.60.

構成要素[B]と構成要素[C]を含むエポキシ樹脂組成物としては、180℃未満の温度で結晶相から液晶相あるいは等方性液体に転移するものが好ましい。結晶相から液晶相あるいは等方性液体に転移する温度が180℃未満であることにより、炭素繊維強化複合材料を成形する際に樹脂の流動性が向上し、炭素繊維への含浸性が向上するため、ボイド等の欠陥が少ない炭素繊維強化複合材料を得やすくなる。 The epoxy resin composition containing component [B] and component [C] preferably transitions from a crystalline phase to a liquid crystal phase or an isotropic liquid at a temperature of less than 180°C. When the temperature at which the crystalline phase transitions to the liquid crystal phase or the isotropic liquid is less than 180°C, the fluidity of the resin is improved when molding the carbon fiber reinforced composite material, and the impregnation of the carbon fiber is improved. Therefore, it becomes easier to obtain a carbon fiber reinforced composite material with few defects such as voids.

本発明においては、液晶性を示さないエポキシ樹脂や、エポキシ樹脂以外の熱硬化性樹脂、エポキシ樹脂と熱硬化性樹脂の共重合体等を含んでも良い。 In the present invention, epoxy resins that do not exhibit liquid crystallinity, thermosetting resins other than epoxy resins, copolymers of epoxy resins and thermosetting resins, and the like may be included.

上記の熱硬化性樹脂としては、例えば、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、ベンゾオキサジン樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂およびポリイミド樹脂等が挙げられる。これらの樹脂組成物や化合物は、単独で用いてもよいし適宜配合して用いてもよい。少なくとも液晶性を示さないエポキシ樹脂や熱硬化性樹脂を配合することは、樹脂の流動性と硬化後の耐熱性を兼ね備えるものとする。 Examples of the above thermosetting resins include unsaturated polyester resins, vinyl ester resins, epoxy resins, benzoxazine resins, phenol resins, urea resins, melamine resins and polyimide resins. These resin compositions and compounds may be used alone or may be used by blending them as appropriate. Blending at least an epoxy resin or a thermosetting resin that does not exhibit liquid crystallinity provides both fluidity of the resin and heat resistance after curing.

構成要素[B]の中で、液晶性を示さないエポキシ樹脂として用いられるエポキシ樹脂のうち、2官能のエポキシ樹脂としては、フェノールを前駆体とするグリシジルエーテル型エポキシ樹脂が好ましく用いられる。このようなエポキシ樹脂として、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビスフェノールS型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ウレタン変性エポキシ樹脂、ヒダントイン型およびレゾルシノール型エポキシ樹脂等が挙げられる。 Among the epoxy resins that do not exhibit liquid crystallinity in the component [B], glycidyl ether type epoxy resins that use phenol as a precursor are preferably used as the bifunctional epoxy resins. Examples of such epoxy resins include bisphenol A-type epoxy resins, bisphenol F-type epoxy resins, bisphenol S-type epoxy resins, naphthalene-type epoxy resins, biphenyl-type epoxy resins, urethane-modified epoxy resins, hydantoin-type and resorcinol-type epoxy resins. be done.

構成要素[B]において、単体では液晶性を示さないエポキシ樹脂を含むことで、樹脂組成物の粘度が低下し、エポキシ樹脂と構成要素[A]表面との濡れ性がよくなることで界面接着性が向上し、より優れたモードI層間靭性を持つ繊維強化複合材料が得られる。ここで、エポキシ樹脂が「液晶性を示さない」とは、窒素雰囲気下での示差走査熱量分析において昇温速度を10℃/分として10℃から250℃まで昇温した際に、20℃から240℃までの温度範囲における吸熱ピークの有無を確認した上で、吸熱ピークが無い場合には、30℃の状態について、吸熱ピークがある場合には、その吸熱ピーク(相転移)前後の10℃の温度範囲の状態についてクロスニコル状態での偏光顕微鏡観察を行い、いずれについてもネマチック相構造を形成していないことを意味する。具体的には、ネマチック相構造特有の干渉模様である、シュリーレン組織、糸状組織、砂状組織、ドロプレット組織などがみられないことを確認する。 In the component [B], by containing an epoxy resin that does not exhibit liquid crystallinity by itself, the viscosity of the resin composition is reduced, and the wettability between the epoxy resin and the surface of the component [A] is improved, resulting in interfacial adhesion. is improved, resulting in a fiber reinforced composite with better Mode I interlaminar toughness. Here, the epoxy resin "does not exhibit liquid crystallinity" means that when the temperature is raised from 10 ° C. to 250 ° C. at a rate of temperature increase of 10 ° C./min in differential scanning calorimetry in a nitrogen atmosphere, from 20 ° C. to After confirming the presence or absence of an endothermic peak in the temperature range up to 240 ° C., if there is no endothermic peak, the state at 30 ° C. If there is an endothermic peak, 10 ° C. before and after the endothermic peak (phase transition) This means that a nematic phase structure is not formed in any of the states in the temperature range of . Specifically, it is confirmed that no interference patterns peculiar to the nematic phase structure, such as schlieren texture, filamentous texture, sandy texture, and droplet texture, are observed.

単体では液晶性を示さないエポキシ樹脂としては、特に、室温(25℃)で液状であることが樹脂組成物の粘度低下をさせつつ、樹脂組成物の硬化物中のスメクチック構造形成阻害を起こしづらいという点から好適である。ここでいう液状とは、液晶性を示さないエポキシ樹脂単体と同じ温度状態にある比重7以上の金属片を、該液晶性を示さないエポキシ樹脂単体の上に置き、重力で瞬時に埋没するとき、該液晶性を示さないエポキシ樹脂単体は液状であると定義する。比重7以上の金属片としては、例えば、鉄(鋼)、鋳鉄、銅などが挙げられる。 Epoxy resins that do not exhibit liquid crystallinity by themselves are particularly liquid at room temperature (25° C.), while reducing the viscosity of the resin composition and preventing smectic structure formation in the cured product of the resin composition. It is suitable from the point that. The term "liquid" as used herein means that a piece of metal having a specific gravity of 7 or more, which is at the same temperature as the non-liquid crystalline epoxy resin alone, is placed on the non-liquid crystalline epoxy resin alone and is instantly buried by gravity. , the epoxy resin alone that does not exhibit liquid crystallinity is defined as liquid. Examples of metal pieces having a specific gravity of 7 or more include iron (steel), cast iron, and copper.

構成要素[B]において前記単体では液晶性を示さないエポキシ樹脂の含有量は、構成要素[B]全体100質量部に対して、1~25質量部の範囲が好ましく、3~25質量部の範囲がより好ましく、3~20質量部の範囲がさらに好ましい。この範囲であれば、樹脂組成物の硬化物中のスメクチック構造割合を低下させないまま、エポキシ樹脂と構成要素[A]との界面接着性が向上するため、より優れたモードI層間靭性を持つ繊維強化複合材料が得られる。 In the component [B], the content of the epoxy resin that does not exhibit liquid crystallinity by itself is preferably in the range of 1 to 25 parts by mass, and 3 to 25 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the entire component [B]. A range is more preferable, and a range of 3 to 20 parts by mass is even more preferable. Within this range, the interfacial adhesion between the epoxy resin and the constituent element [A] is improved without reducing the smectic structure ratio in the cured product of the resin composition, so that the fiber has better mode I interlayer toughness. A reinforced composite material is obtained.

液晶性を示さないエポキシ樹脂のうち、3官能以上のグリシジルアミン型エポキシ樹脂としては、例えば、ジアミノジフェニルメタン型、ジアミノジフェニルスルホン型、アミノフェノール型、メタキシレンジアミン型、1,3-ビスアミノメチルシクロヘキサン型、イソシアヌレート型等のエポキシ樹脂が挙げられる。中でも物性のバランスが良いことから、ジアミノジフェニルメタン型とアミノフェノール型のエポキシ樹脂が特に好ましく用いられる。 Among the epoxy resins that do not exhibit liquid crystallinity, tri- or higher functional glycidylamine type epoxy resins include, for example, diaminodiphenylmethane type, diaminodiphenylsulfone type, aminophenol type, metaxylenediamine type, and 1,3-bisaminomethylcyclohexane. and isocyanurate-type epoxy resins. Among them, diaminodiphenylmethane-type and aminophenol-type epoxy resins are particularly preferably used because of their well-balanced physical properties.

また、3官能以上のグリシジルエーテル型エポキシ樹脂としては、例えば、フェノールノボラック型、オルソクレゾールノボラック型、トリスヒドロキシフェニルメタン型およびテトラフェニロールエタン型等のエポキシ樹脂が挙げられる。 Examples of trifunctional or higher glycidyl ether type epoxy resins include phenol novolak type, ortho cresol novolak type, trishydroxyphenylmethane type and tetraphenylolethane type epoxy resins.

本発明の構成要素[C]は、エポキシ樹脂の硬化剤であり、一般式(1)で示される構造を有する硬化剤である。 The component [C] of the present invention is an epoxy resin curing agent having a structure represented by the general formula (1).

Figure 0007287171000007
Figure 0007287171000007

(一般式(1)中、Xは、単結合、もしくは群(I)から1つ選ばれる。P、Pは同一であっても相異なっていてもよく、群(II)に示される構造のいずれかから選ばれる。群(II)中のWは各々独立に、炭素数1~8の脂肪族炭化水素基、炭素数1~8の脂肪族アルコキシ基、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子、シアノ基、ニトロ基、又はアセチル基を示す。nは各々独立に0~4の整数を示す。置換基Wは、全てが同一であっても異なっていてもよく、あるいは一部が同一であってもよい。群(II)におけるXは、群(I)から1つ選ばれる。F、Fはエポキシ基と反応可能な活性基であり、群(II)から選ばれる六員環に直接結合している。置換基Wの構造が大きすぎると、エポキシ樹脂組成物の粘度が高くなりすぎて取扱性を損ねたり、エポキシ樹脂組成物中の他成分との相溶性が損なわれたりすることで得られる強化繊維複合材料の力学特性向上効果が小さくなったりすることがある。また、難燃性の点からは、置換基WがClやBrといったハロゲン原子で置換されているものも好ましい。) (In general formula (1), X 1 is a single bond or one selected from group (I). P 1 and P 2 may be the same or different, and are shown in group (II). Each W in group (II) is independently an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 8 carbon atoms, an aliphatic alkoxy group having 1 to 8 carbon atoms, a fluorine atom, a chlorine atom, represents a bromine atom, an iodine atom, a cyano group, a nitro group, or an acetyl group, and each n independently represents an integer of 0 to 4. The substituents W may all be the same or different, or X 2 in group (II) is one selected from group (I), F 1 and F 2 are active groups capable of reacting with epoxy groups, and is directly bonded to a six-membered ring selected from If the structure of the substituent W is too large, the viscosity of the epoxy resin composition becomes too high, impairing the handleability, or interfering with other components in the epoxy resin composition. The effect of improving the mechanical properties of the reinforced fiber composite material obtained may be reduced due to the loss of compatibility, etc. In addition, from the viewpoint of flame retardancy, the substituent W is a halogen atom such as Cl or Br. Substituted ones are also preferred.)

Figure 0007287171000008
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Figure 0007287171000009
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構成要素[C]の分子構造中に六員環を3つ以上もつ分子構造の場合には、構成要素[C]のエポキシ樹脂との相溶性が悪く、エポキシ樹脂組成物の硬化物中に、それら硬化剤の溶け残りが生じやすい。溶け残りの粉体箇所が破壊の起点となることで樹脂硬化物の強度が低下することがある。この理由から構成要素[C]の分子構造中には六員環を2つ有することが好ましい。 In the case of a molecular structure having three or more six-membered rings in the molecular structure of the constituent element [C], the compatibility with the epoxy resin of the constituent element [C] is poor, and in the cured product of the epoxy resin composition, Undissolved curing agents tend to remain. The strength of the cured resin may be lowered because the portion of the undissolved powder becomes the starting point of destruction. For this reason, it is preferable to have two six-membered rings in the molecular structure of the component [C].

本発明のエポキシ樹脂組成物に含まれる構成要素[C]は、一般式(1)で表される構造において、Xが-C(=O)NH-であることが好ましい。分子構造の中央にアミド骨格を導入することで、周囲の水素結合性を有する官能基との間で水素結合を形成するため骨格が剛直となりやすく、樹脂弾性率に優れた樹脂硬化物を得ることができる。また、アミド骨格が導入された硬化剤同士の間で、平面的に水素結合を形成して配列することで液晶性が高まることも、高弾性率化、高耐熱化の一因となりえる。 Constituent element [C] contained in the epoxy resin composition of the present invention preferably has a structure represented by general formula (1) in which X 1 is -C(=O)NH-. By introducing an amide skeleton in the center of the molecular structure, a hydrogen bond is formed with the surrounding functional groups having hydrogen bonding properties, so that the skeleton tends to be rigid, and a cured resin product having an excellent resin elastic modulus can be obtained. can be done. In addition, the formation of planar hydrogen bonds between the curing agents into which the amide skeleton is introduced allows the curing agents to be aligned, thereby enhancing the liquid crystallinity, which can also contribute to the increase in the elastic modulus and the increase in heat resistance.

構成要素[C]の市販品としては、4,4’-ジアミノベンズアニリド(4,4’-DABAN)、3,4’-ジアミノベンズアニリド(3,4’-DABAN)、4-アミノ安息香酸4-アミノフェニル(4,4’-BAAB)、o-トリジン、(ビス(4-アミノフェニル)テレフタルアミド(4,4’-APTP)(以上、日本純良薬品(株)製)等が挙げられる。これらの硬化剤は、単独で使用しても複数を併用してもよい。また、エポキシ樹脂と硬化剤、あるいはそれらの一部を予備反応させた物を組成物中に配合することもできる。この方法は、粘度調節や保存安定性向上に有効な場合がある。 Commercially available products of component [C] include 4,4′-diaminobenzanilide (4,4′-DABAN), 3,4′-diaminobenzanilide (3,4′-DABAN), 4-aminobenzoic acid 4-aminophenyl (4,4'-BAAB), o-tolidine, (bis (4-aminophenyl) terephthalamide (4,4'-APTP) (manufactured by Nippon Junryo Yakuhin Co., Ltd.) and the like. These curing agents may be used singly or in combination, and an epoxy resin and a curing agent, or a product obtained by pre-reacting a part of them, may be blended into the composition. This method may be effective in adjusting viscosity and improving storage stability.

本発明においては、発明の効果を妨げない範囲で、構成要素[C]以外の硬化剤を併用しても良い。構成要素[C]以外の硬化剤としては、例えば、ジアミノジフェニルスルホン、ジアミノジフェニルエーテル、ジアミノベンゾフェノン、ジシアンジアミド、アミノ安息香酸アステル類、各種酸無水物、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ポリフェノール化合物、イミダゾール誘導体、脂肪族アミン等が挙げられる。 In the present invention, a curing agent other than the component [C] may be used in combination as long as the effect of the invention is not impaired. Curing agents other than component [C] include, for example, diaminodiphenyl sulfone, diaminodiphenyl ether, diaminobenzophenone, dicyandiamide, aminobenzoic acid esters, various acid anhydrides, phenol novolak resins, cresol novolak resins, polyphenol compounds, and imidazole derivatives. , aliphatic amines, and the like.

硬化剤の添加量の最適値は、エポキシ樹脂と硬化剤の種類により異なる。例えば、芳香族ポリアミン硬化剤では、化学量論的に当量となるように添加することが好ましいが、エポキシ樹脂のエポキシ基量に対する芳香族アミン硬化剤の活性水素量の比を0.7~1.0とすることにより、当量で用いた場合より高弾性率樹脂が得られることがあり、好ましい態様である。一方、エポキシ樹脂のエポキシ基量に対する芳香族ポリアミン硬化剤の活性水素量の比を1.0~1.6とすると、硬化速度の向上に加えて、高伸度樹脂が得られることがあり、これも好ましい態様である。したがって、エポキシ樹脂のエポキシ基量に対する硬化剤の活性水素量の比は、0.7~1.6の範囲が好ましい。 The optimum amount of curing agent to be added varies depending on the type of epoxy resin and curing agent. For example, an aromatic polyamine curing agent is preferably added in a stoichiometrically equivalent amount. By setting the ratio to 0.0, it is possible to obtain a resin having a higher elastic modulus than when the equivalent weight is used, which is a preferred embodiment. On the other hand, when the ratio of the amount of active hydrogen in the aromatic polyamine curing agent to the amount of epoxy groups in the epoxy resin is 1.0 to 1.6, in addition to improving the curing speed, a resin with high elongation may be obtained. This is also a preferred embodiment. Therefore, the ratio of the amount of active hydrogen in the curing agent to the amount of epoxy groups in the epoxy resin is preferably in the range of 0.7 to 1.6.

本発明においては、上記の構成要素[B]と[C]を含むエポキシ樹脂組成物に、熱可塑性樹脂を混合または溶解させて用いることもできる。熱可塑性樹脂を用いることで、得られるプリプレグのタック性の制御、炭素繊維強化複合材料を成形する時の樹脂組成物の流動性の制御することができるため、好ましく用いられる。このような熱可塑性樹脂としては、一般に、主鎖に、炭素-炭素結合、アミド結合、イミド結合、エステル結合、エーテル結合、カーボネート結合、ウレタン結合、チオエーテル結合、スルホン結合およびカルボニル結合からなる群から選ばれた結合を有する熱可塑性樹脂であることが好ましい。また、この熱可塑性樹脂は、部分的に架橋構造を有していても差し支えなく、結晶性を有していても非晶性であってもよい。特に、ポリアミド、ポリカーボナート、ポリアセタール、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリエステル、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、フェニルトリメチルインダン構造を有するポリイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアラミド、ポリエーテルニトリルおよびポリベンズイミダゾールからなる群から選ばれた少なくとも1種の樹脂が、上記のエポキシ樹脂組成物に含まれるいずれかのエポキシ樹脂に混合または溶解していることが好適である。 In the present invention, a thermoplastic resin may be mixed or dissolved in the epoxy resin composition containing the components [B] and [C] and used. By using a thermoplastic resin, it is possible to control the tackiness of the obtained prepreg and the fluidity of the resin composition when molding the carbon fiber reinforced composite material, so it is preferably used. Such thermoplastic resins generally have a main chain consisting of a carbon-carbon bond, an amide bond, an imide bond, an ester bond, an ether bond, a carbonate bond, a urethane bond, a thioether bond, a sulfone bond and a carbonyl bond. Thermoplastic resins with selected bonds are preferred. Further, this thermoplastic resin may have a partially crosslinked structure, and may be crystalline or amorphous. In particular, polyamides, polycarbonates, polyacetals, polyphenylene oxides, polyphenylene sulfides, polyarylates, polyesters, polyamideimides, polyimides, polyetherimides, polyimides having a phenyltrimethylindane structure, polysulfones, polyethersulfones, polyetherketones, polyetherethers At least one resin selected from the group consisting of ketones, polyaramids, polyethernitrile and polybenzimidazole is preferably mixed or dissolved in any one of the epoxy resins contained in the epoxy resin composition. be.

中でも、良好な耐熱性を得るためには、熱可塑性樹脂のガラス転移温度(Tg)が少なくとも150℃以上であり、170℃以上であることが好ましい。配合する熱可塑性樹脂のガラス転移温度が、150℃未満であると、成形体として用いた時に熱による変形を起こしやすくなる場合がある。さらに、この熱可塑性樹脂の末端官能基としては、水酸基、カルボキシル基、チオール基、酸無水物などのものがカチオン重合性化合物と反応することができ、好ましく用いられる。具体的には、ポリエーテルスルホンの市販品である“スミカエクセル(登録商標)”PES3600P、“スミカエクセル(登録商標)”PES5003P、“スミカエクセル(登録商標)”PES5200P、“スミカエクセル(登録商標)”PES7600P(以上、住友化学工業(株)製)、Virantage(登録商標)”VW-10200RFP、“Virantage(登録商標)”VW-10700RFP(以上、ソルベイアドバンストポリマーズ(株)製)などを使用することができ、また、特表2004-506789号公報に記載されるようなポリエーテルスルホンとポリエーテルエーテルスルホンの共重合体オリゴマー、さらにポリエーテルイミドの市販品である“ウルテム(登録商標)”1000、“ウルテム(登録商標)”1010、“ウルテム(登録商標)”1040(以上、ソルベイアドバンストポリマーズ(株)製)などが挙げられる。オリゴマーとは10個から100個程度の有限個のモノマーが結合した比較的分子量が低い重合体を指す。 Above all, in order to obtain good heat resistance, the glass transition temperature (Tg) of the thermoplastic resin is at least 150°C or higher, preferably 170°C or higher. If the glass transition temperature of the thermoplastic resin to be blended is less than 150° C., deformation due to heat may easily occur when used as a molded article. Furthermore, as terminal functional groups of this thermoplastic resin, hydroxyl groups, carboxyl groups, thiol groups, acid anhydrides and the like can react with the cationic polymerizable compound and are preferably used. Specifically, commercially available polyethersulfone products "Sumika Excel (registered trademark)" PES3600P, "Sumika Excel (registered trademark)" PES5003P, "Sumika Excel (registered trademark)" PES5200P, "Sumika Excel (registered trademark)" "PES7600P (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.), Virantage (registered trademark)" VW-10200RFP, "Virantage (registered trademark)" VW-10700RFP (manufactured by Solvay Advanced Polymers Co., Ltd.), etc. Also, a copolymer oligomer of polyether sulfone and polyether ether sulfone as described in JP-T-2004-506789, and "Ultem (registered trademark)" 1000, which is a commercial product of polyetherimide, "Ultem (registered trademark)" 1010, "Ultem (registered trademark)" 1040 (manufactured by Solvay Advanced Polymers Co., Ltd.), etc. An oligomer is a finite number of monomers of about 10 to 100 bound together. It refers to polymers with relatively low molecular weights.

また、本発明においては、上記の構成要素[B][C]を含むエポキシ樹脂組成物に、さらにエラストマーを配合してもよい。かかるエラストマーは、硬化後のエポキシマトリックス相内に微細なエラストマー相を形成させる目的で配合される。これにより、樹脂硬化物への応力負荷時に生じる平面歪みを、エラストマー相の破壊空隙化(キャビテーション)により解消することができ、エポキシマトリックス相の塑性変形が誘発される結果、大きなエネルギー吸収を引き起こし、炭素繊維強化複合材料としての更なる層間靭性の向上に繋がる。 In the present invention, the epoxy resin composition containing the constituent elements [B] and [C] may further contain an elastomer. Such an elastomer is blended for the purpose of forming a fine elastomer phase within the epoxy matrix phase after curing. As a result, the plane strain that occurs when stress is applied to the cured resin can be eliminated by breaking voids (cavitation) in the elastomer phase, and plastic deformation of the epoxy matrix phase is induced, resulting in large energy absorption. This leads to further improvement in interlayer toughness as a carbon fiber reinforced composite material.

エラストマーとは、ガラス転移温度が20℃より低いドメインを有するポリマー材料のことであり、液状ゴム、固形ゴム、架橋ゴム粒子、コアシェルゴム粒子、熱可塑性エラストマー、ガラス転移温度が20℃より低いブロックを有するブロック共重合体などが挙げられる。中でも、エラストマーとしては、ガラス転移温度が20℃以下のブロックを含むブロック共重合体およびゴム粒子から選ばれたものが好ましい。これにより、エポキシ樹脂へのエラストマーの相溶を最小限に抑えつつ、微細なエラストマー相を導入できることから、耐熱性や弾性率の低下を抑えつつ、炭素繊維強化複合材料としての層間靭性を大きく向上させることができる。 Elastomers are polymeric materials having domains with a glass transition temperature below 20°C, including liquid rubbers, solid rubbers, crosslinked rubber particles, core-shell rubber particles, thermoplastic elastomers, and blocks with a glass transition temperature below 20°C. and block copolymers having Above all, the elastomer is preferably selected from block copolymers containing blocks having a glass transition temperature of 20° C. or less and rubber particles. As a result, it is possible to introduce a fine elastomer phase while minimizing the compatibility of the elastomer with the epoxy resin, so it is possible to greatly improve the interlayer toughness as a carbon fiber reinforced composite material while suppressing the deterioration of heat resistance and elastic modulus. can be made

ゴム粒子としては、架橋ゴム粒子、および架橋ゴム粒子の表面に異種ポリマーをグラフト重合したコアシェルゴム粒子が、取り扱い性等の観点から好ましく用いられる。かかるゴム粒子の一次粒子径は、50~300nmの範囲にあることが好ましく、特に80~200nmの範囲にあることが好ましい。また、かかるゴム粒子は使用するエポキシ樹脂との親和性が良好であり、樹脂調製や成形硬化の際に二次凝集を生じないものであることが好ましい。 As the rubber particles, crosslinked rubber particles and core-shell rubber particles obtained by graft-polymerizing a different polymer on the surface of crosslinked rubber particles are preferably used from the viewpoint of handleability and the like. The primary particle size of such rubber particles is preferably in the range of 50 to 300 nm, particularly preferably in the range of 80 to 200 nm. Moreover, it is preferable that such rubber particles have good affinity with the epoxy resin to be used and do not cause secondary agglomeration during resin preparation and molding curing.

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

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

本発明においては、本発明のエポキシ樹脂組成物に熱可塑性樹脂粒子を配合することも好適である。熱可塑性樹脂粒子を配合することにより、炭素繊維強化複合材料としたときに、樹脂組成物の靱性が向上し耐衝撃性が向上する。 In the present invention, it is also suitable to blend thermoplastic resin particles into the epoxy resin composition of the present invention. By blending the thermoplastic resin particles, the toughness of the resin composition is improved and the impact resistance is improved when it is made into a carbon fiber reinforced composite material.

本発明で用いられる熱可塑性樹脂粒子の素材としては、エポキシ樹脂組成物に混合または溶解して用い得る熱可塑性樹脂として、先に例示した各種の熱可塑性樹脂と同様のものを用いることができる。炭素繊維強化複合材料とした時に安定した接着強度や耐衝撃性を与える観点から、粒子中で形態を保持するものであることが好ましい。中でも、ポリアミドは最も好ましく、ポリアミドの中でも、ポリアミド12、ポリアミド11、ポリアミド6、ポリアミド66やポリアミド6/12共重合体、特開平1-104624号公報の実施例1記載のエポキシ化合物においてセミIPN(高分子相互侵入網目構造)化されたポリアミド(セミIPNポリアミド)などを好適に用いることができる。この熱可塑性樹脂粒子の形状としては、球状粒子でも非球状粒子でも、また多孔質粒子でもよいが、球状が、樹脂の流動特性を低下させないため粘弾性に優れ、また応力集中の起点がなく、高い耐衝撃性を与えるという点で好ましい態様である。熱可塑性樹脂粒子の数平均粒径は1μmから100μmの範囲であるのが好ましく、より好ましくは5μmから40μmの範囲、さらに好ましくは10μmから30μmの範囲である。数平均粒径が小さすぎると、炭素繊維の繊維間に粒子が入り込み、耐衝撃性やその他の力学特性を低下させることがある。また、数平均粒径が大きすぎると、大径の粒子の存在により炭素繊維の配列が乱れ、また、プリプレグを積層して得られる炭素繊維強化複合材料の厚さが厚くなり相対的に繊維の体積分率を下げ、その力学特性を低下させることがある。ここで、数平均粒径は熱可塑性粒子をレーザー顕微鏡(超深度カラー3D形状測定顕微鏡VK-9510:(株)キーエンス製)にて200倍以上に拡大して観察を行い、任意の粒子50個以上の粒子について、その粒子の外接する円の直径を粒径として計測後、平均した値が用いられる。また、熱可塑性樹脂粒子の配合量としては、全樹脂組成物100質量部に対して、1~50質量部、好ましくは3~25質量部であることが好ましい。熱可塑性樹脂の添加量が少なすぎると、炭素繊維強化複合材料において十分な耐衝撃性向上効果が得られない可能性がある。 As the raw material for the thermoplastic resin particles used in the present invention, the same thermoplastic resins as those exemplified above can be used as thermoplastic resins that can be used by mixing or dissolving them in the epoxy resin composition. From the viewpoint of providing stable adhesive strength and impact resistance when made into a carbon fiber reinforced composite material, it is preferable that the particles retain their shape. Among them, polyamide is the most preferable, and among polyamides, polyamide 12, polyamide 11, polyamide 6, polyamide 66 and polyamide 6/12 copolymer, semi-IPN ( Polymer interpenetrating network structure) polyamide (semi-IPN polyamide) and the like can be preferably used. The shape of the thermoplastic resin particles may be spherical particles, non-spherical particles, or porous particles. This is a preferred embodiment in terms of imparting high impact resistance. The number average particle diameter of the thermoplastic resin particles is preferably in the range of 1 μm to 100 μm, more preferably in the range of 5 μm to 40 μm, and even more preferably in the range of 10 μm to 30 μm. If the number average particle size is too small, the particles may enter between the fibers of the carbon fiber and reduce the impact resistance and other mechanical properties. On the other hand, if the number average particle diameter is too large, the arrangement of carbon fibers is disturbed due to the presence of large diameter particles, and the thickness of the carbon fiber reinforced composite material obtained by laminating prepregs becomes thick, resulting in a relatively large number of fibers. It can lower the volume fraction and degrade its mechanical properties. Here, the number-average particle size is obtained by observing the thermoplastic particles with a laser microscope (ultra-depth color 3D shape measuring microscope VK-9510: manufactured by Keyence Corporation) at a magnification of 200 times or more, and 50 arbitrary particles. For the above particles, after measuring the diameter of the circle circumscribing the particle as the particle size, the average value is used. The amount of the thermoplastic resin particles to be blended is preferably 1 to 50 parts by mass, preferably 3 to 25 parts by mass, per 100 parts by mass of the total resin composition. If the amount of the thermoplastic resin added is too small, there is a possibility that a sufficient effect of improving impact resistance cannot be obtained in the carbon fiber reinforced composite material.

ポリアミド粒子の市販品としては、SP-500、SP-10、TR-1、TR-2、842P-48、842P-80(以上、東レ(株)製)、“オルガソール(登録商標)”1002D、2001UD、2001EXD、2002D、3202D、3501D,3502D、(以上、アルケマ(株)製)、“グリルアミド(登録商標)”TR90(エムザベルケ(株)社製)、“TROGAMID(登録商標)”CX7323、CX9701、CX9704、(デグサ(株)社製)等を使用することができる。これらのポリアミド粒子は、単独で使用しても複数を併用してもよい。 Commercially available polyamide particles include SP-500, SP-10, TR-1, TR-2, 842P-48, 842P-80 (manufactured by Toray Industries, Inc.), and "Orgasol (registered trademark)" 1002D. , 2001UD, 2001EXD, 2002D, 3202D, 3501D, 3502D, (manufactured by Arkema Co., Ltd.), "Grilamid (registered trademark)" TR90 (manufactured by Mzawerke Co., Ltd.), "TROGAMID (registered trademark)" CX7323, CX9701 , CX9704 (manufactured by Degussa Corporation) and the like can be used. These polyamide particles may be used alone or in combination.

本発明のエポキシ樹脂組成物は、本発明の効果を妨げない範囲で、カップリング剤や、熱硬化性樹脂粒子、エポキシ樹脂に溶解可能な熱可塑性樹脂、あるいはシリカゲル、カーボンブラック、クレー、カーボンナノチューブ、金属粉体といった無機フィラー等を配合することができる。 The epoxy resin composition of the present invention contains a coupling agent, thermosetting resin particles, thermoplastic resins soluble in epoxy resin, silica gel, carbon black, clay, carbon nanotubes, as long as the effects of the present invention are not hindered. , inorganic fillers such as metal powder, etc. can be blended.

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

本発明のプリプレグは、本発明のエポキシ樹脂組成物を、メチルエチルケトンやメタノール等の溶媒に溶解して低粘度化し、炭素繊維に含浸させるウェット法と、エポキシ樹脂組成物を加熱により低粘度化し、炭素繊維に含浸させるホットメルト法等によって好適に製造することができる。 The prepreg of the present invention can be produced by a wet method in which the epoxy resin composition of the present invention is dissolved in a solvent such as methyl ethyl ketone or methanol to reduce the viscosity and impregnated into carbon fibers, and a wet method in which the epoxy resin composition is heated to reduce the viscosity. It can be suitably produced by a hot-melt method or the like in which fibers are impregnated.

ウェット法は、炭素繊維をエポキシ樹脂組成物の溶液に浸漬した後、引き上げ、オーブン等を用いて溶媒を蒸発せしめ、プリプレグを得る方法である。 The wet method is a method of obtaining a prepreg by immersing carbon fibers in a solution of an epoxy resin composition, pulling them out, and evaporating the solvent using an oven or the like.

ホットメルト法は、加熱により低粘度化したエポキシ樹脂組成物を直接炭素繊維に含浸させる方法、またはエポキシ樹脂組成物を離型紙等の上にコーティングした樹脂フィルムを作製しておき、次に炭素繊維の両側または片側からその樹脂フィルムを重ね、加熱加圧することによりエポキシ樹脂組成物を転写含浸せしめ、プリプレグを得る方法である。このホットメルト法では、プリプレグ中に残留する溶媒が実質的に皆無となるため好ましい態様である。 The hot melt method is a method of directly impregnating the carbon fiber with an epoxy resin composition whose viscosity has been reduced by heating, or a resin film is prepared by coating the epoxy resin composition on release paper or the like, and then the carbon fiber This is a method of obtaining a prepreg by superimposing the resin film from both sides or one side of the sheet and applying heat and pressure to transfer and impregnate the epoxy resin composition. This hot-melt method is a preferred embodiment because substantially no solvent remains in the prepreg.

ホットメルト法でプリプレグを作製する場合、樹脂組成物の粘度としては、後述する方法で測定される最低粘度で0.01~30Pa・sとすることが好ましい。ここでいう樹脂組成物の最低粘度とは、パラレルプレートを使用した動的粘弾性測定装置(ARES,TA Instruments製)を使用し、温度を2℃/分の速度で昇温させながら周波数0.5Hz、およびプレート間隔1mmの条件で測定した複素粘度ηについて、40-180℃の温度範囲での最も低い値を示す。 When the prepreg is produced by the hot-melt method, the viscosity of the resin composition is preferably 0.01 to 30 Pa·s as the minimum viscosity measured by the method described later. The minimum viscosity of the resin composition referred to here is measured using a dynamic viscoelasticity measuring device (ARES, manufactured by TA Instruments) using a parallel plate, while increasing the temperature at a rate of 2° C./min. The complex viscosity η * measured at 5 Hz and a plate interval of 1 mm shows the lowest value in the temperature range of 40-180°C.

プリプレグは、単位面積あたりの炭素繊維量が50~1000g/mであることが好ましい。かかる炭素繊維量が50g/m未満では、炭素繊維強化複合材料を成形する際に所定の厚みを得るために積層枚数を多くする必要があり、作業が繁雑となることがある。一方で、炭素繊維量が1000g/mを超えると、プリプレグのドレープ性が悪くなる傾向にある。 The prepreg preferably has a carbon fiber content of 50 to 1000 g/m 2 per unit area. If the amount of carbon fiber is less than 50 g/m 2 , the number of layers to be laminated must be increased in order to obtain a predetermined thickness when molding the carbon fiber reinforced composite material, and the work may become complicated. On the other hand, when the amount of carbon fibers exceeds 1000 g/m 2 , the drapeability of the prepreg tends to deteriorate.

本発明の炭素繊維強化複合材料は、上述した本発明のプリプレグを所定の形態で積層し、加圧・加熱して成形する方法を一例として製造することができる。熱および圧力を付与する方法としては、プレス成形法、オートクレーブ成形法、バッギング成形法、ラッピングテープ法および内圧成形法等が使用される。特にスポーツ用品の成形には、ラッピングテープ法と内圧成形法が好ましく用いられる。 The carbon fiber reinforced composite material of the present invention can be produced by laminating the prepregs of the present invention described above in a predetermined form, pressing and heating, and molding as an example. Methods for applying heat and pressure include press molding, autoclave molding, bagging molding, wrapping tape, and internal pressure molding. In particular, the wrapping tape method and the internal pressure molding method are preferably used for molding sporting goods.

ラッピングテープ法は、マンドレル等の芯金にプリプレグを捲回して、炭素繊維強化複合材料製の管状体を成形する方法であり、ゴルフシャフトや釣り竿等の棒状体を作製する際に好適な方法である。より具体的には、マンドレルにプリプレグを捲回し、プリプレグの固定および圧力付与のため、プリプレグの外側に熱可塑性樹脂フィルムからなるラッピングテープを捲回し、オーブン中でエポキシ樹脂を加熱硬化させた後、芯金を抜き去って管状体を得る方法である。 The wrapping tape method is a method of winding a prepreg around a metal core such as a mandrel to form a tubular body made of a carbon fiber reinforced composite material, and is a suitable method for producing rod-shaped bodies such as golf shafts and fishing rods. be. More specifically, a prepreg is wound around a mandrel, a wrapping tape made of a thermoplastic resin film is wound around the prepreg for fixing and applying pressure to the prepreg, and the epoxy resin is heated and cured in an oven. In this method, the core is removed to obtain a tubular body.

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、次いでその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、管状体を成形する方法である。この内圧成形法は、ゴルフシャフト、バット、およびテニスやバトミントン等のラケットのような複雑な形状物を成形する際に、特に好ましく用いられる。 In the internal pressure molding method, a preform obtained by winding a prepreg around an internal pressure imparting body such as a thermoplastic resin tube is set in a mold, and then a high-pressure gas is introduced into the internal pressure imparting body to apply pressure. At the same time, the mold is heated to form a tubular body. This internal pressure molding method is particularly preferably used when molding complex shapes such as golf shafts, bats, and rackets for tennis, badminton, and the like.

本発明の炭素繊維強化複合材料は、前記したエポキシ樹脂組成物を用いて、プリプレグを経由しない方法によっても製造することができる。 The carbon fiber reinforced composite material of the present invention can also be produced using the epoxy resin composition described above by a method that does not involve prepreg.

このような方法としては、例えば、構成要素[B][C]を含む本発明の樹脂組成物を直接炭素繊維に含浸させた後加熱硬化する方法、即ち、ハンド・レイアップ法、フィラメント・ワインディング法、プルトルージョン法や、あらかじめ部材形状に賦形した連続繊維基材に樹脂組成物を含浸および硬化させるレジン・フィルム・インフュージョン法、レジン・インジェクション・モールディング法およびレジン・トランスファー・モールディング(RTM)法等が用いられる。 Such methods include, for example, a method in which carbon fibers are directly impregnated with the resin composition of the present invention containing the constituent elements [B] and [C] and then heat-cured, that is, a hand lay-up method and filament winding. method, pultrusion method, resin film infusion method in which a resin composition is impregnated and cured in a continuous fiber base material preformed into a member shape, resin injection molding method and resin transfer molding (RTM) Laws, etc. are used.

本発明によるエポキシ樹脂組成物は、RTM法に関する総説(SAMPE Journal,Vol.34,No.6,pp7-19)に挙げられている、VARTM(Vaccum-assisted ResinTransfer Molding)、VIMP(Variable Infusion Molding Process)、TERTM(Thermal Expansion RTM)、RARTM(Rubber-Assisted RTM)、RIRM(Resin Injection Recirculation Molding)、CRTM(Continuous RTM)、CIRTM(Co-injection Resin Transfer Molding)、RLI(Resin Liquid Infusion)、SCRIMP(Seeman’s Composite Resin Infusion Molding Process)等の成形法にも好適に用いられる。 The epoxy resin composition according to the present invention can be used for VARTM (Vaccum-assisted Resin Transfer Molding) and VIMP (Variable Infusion Molding Process), which are listed in the review on the RTM method (SAMPE Journal, Vol. 34, No. 6, pp. 7-19). ), TERTM (Thermal Expansion RTM), RARTM (Rubber-Assisted RTM), RIRM (Resin Injection Recirculation Molding), CRTM (Continuous RTM), CIRTM (Co-injection Resin Transfer Molding) , RLI (Resin Liquid Infusion), SCRIMP ( It is also suitable for molding methods such as Seeman's Composite Resin Infusion Molding Process).

以下、本発明を実施例により詳細に説明する。ただし、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものでは無い。なお、組成比の単位「部」は、特に注釈のない限り質量部を意味する。また、各種特性(物性)の測定は、特に注釈のない限り温度23℃、相対湿度50%の環境下で行った。 EXAMPLES The present invention will be described in detail below with reference to examples. However, the scope of the present invention is not limited to these examples. In addition, the unit "part" of a composition ratio means a mass part unless there is a comment in particular. In addition, measurements of various properties (physical properties) were performed under an environment of 23° C. temperature and 50% relative humidity unless otherwise noted.

<実施例および比較例で用いられた原材料>
(1)構成要素[A]
・炭素繊維1
アクリロニトリルを主体とするポリアクリロニトリル共重合体を紡糸し、焼成し、総フィラメント数24,000本、総繊度1,000テックス、比重1.8、ストランド引張強度6.6GPa、ストランド引張弾性率324GPaの炭素繊維を得た。次いで、その炭素繊維を、炭酸水素アンモニウム水溶液を電解液として、電気量を炭素繊維1g当たり80クーロンで電解表面処理した。この電解表面処理を施された炭素繊維を続いて水洗し、加熱空気中で乾燥し、原料となる炭素繊維を得た。後述の(5)に記載の方法に従って測定したところ、表面酸素濃度O/Cは、0.16であった。
<Raw materials used in Examples and Comparative Examples>
(1) Component [A]
Carbon fiber 1
A polyacrylonitrile copolymer mainly composed of acrylonitrile is spun and baked, and the total number of filaments is 24,000, the total fineness is 1,000 tex, the specific gravity is 1.8, the strand tensile strength is 6.6 GPa, and the strand tensile modulus is 324 GPa. A carbon fiber was obtained. Next, the carbon fibers were subjected to an electrolytic surface treatment using an ammonium hydrogen carbonate aqueous solution as an electrolytic solution with an amount of electricity of 80 coulombs per 1 g of the carbon fibers. The electrolytic surface-treated carbon fibers were then washed with water and dried in hot air to obtain carbon fibers as a raw material. The surface oxygen concentration O/C was 0.16 when measured according to the method described in (5) below.

“jER(登録商標)”152(三菱ケミカル(株)製)とポリグリセリンポリグリシジルエーテルを調合したサイジング剤を浸漬法により表面処理された炭素繊維に塗布した後、熱処理をして、サイジング剤塗布炭素繊維束を得た。サイジング剤の付着量は、サイジング剤塗布炭素繊維に対して0.6質量%となるように調整した。 A sizing agent prepared by mixing "jER (registered trademark)" 152 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) and polyglycerin polyglycidyl ether is applied to the surface-treated carbon fiber by an immersion method, followed by heat treatment and application of the sizing agent. A carbon fiber bundle was obtained. The adhesion amount of the sizing agent was adjusted so as to be 0.6% by mass with respect to the sizing agent-coated carbon fiber.

このように作製した炭素繊維を、後述の(7)に記載の方法に従って測定したところ、洗浄後のサイジング剤付着量は0.16質量%であり、好ましい付着量であった。また、後述の(8)に記載の方法で測定した界面接着強度は44MPaであった。 When the carbon fiber thus produced was measured according to the method described in (7) below, the sizing agent adhesion amount after washing was 0.16% by mass, which was a preferable adhesion amount. Further, the interfacial adhesion strength measured by the method described in (8) below was 44 MPa.

・炭素繊維2
アクリロニトリルを主体とするポリアクリロニトリル共重合体を紡糸し、焼成し、総フィラメント数12,000本、総繊度1,000テックス、比重1.8、ストランド引張強度4.9GPa、ストランド引張弾性率230GPaの炭素繊維を得た。次いで、その炭素繊維を、炭酸水素アンモニウム水溶液を電解液として、電気量を炭素繊維1g当たり80クーロンで電解表面処理した。この電解表面処理を施された炭素繊維を続いて水洗し、加熱空気中で乾燥し、原料となる炭素繊維を得た。このとき表面酸素濃度O/Cは、0.15であった。
・Carbon fiber 2
A polyacrylonitrile copolymer mainly composed of acrylonitrile is spun and baked, and the total number of filaments is 12,000, the total fineness is 1,000 tex, the specific gravity is 1.8, the strand tensile strength is 4.9 GPa, and the strand tensile modulus is 230 GPa. A carbon fiber was obtained. Next, the carbon fibers were subjected to an electrolytic surface treatment using an ammonium hydrogen carbonate aqueous solution as an electrolytic solution with an amount of electricity of 80 coulombs per 1 g of the carbon fibers. The electrolytic surface-treated carbon fibers were then washed with water and dried in hot air to obtain carbon fibers as a raw material. At this time, the surface oxygen concentration O/C was 0.15.

この炭素繊維を用い、炭素繊維1と同様の手法でサイジング剤塗布炭素繊維束を得た。サイジング剤の付着量は、サイジング剤塗布炭素繊維に対して0.6質量%となるように調整した。洗浄後のサイジング剤付着量は0.17質量%であり、好ましい付着量であった。また、界面接着強度は43MPaであった。 Using this carbon fiber, a sizing agent-coated carbon fiber bundle was obtained in the same manner as the carbon fiber 1. The adhesion amount of the sizing agent was adjusted so as to be 0.6% by mass with respect to the sizing agent-coated carbon fiber. The sizing agent adhesion amount after washing was 0.17% by mass, which was a preferable adhesion amount. Moreover, the interfacial adhesive strength was 43 MPa.

・炭素繊維3
アクリロニトリルを主体とするポリアクリロニトリル共重合体を紡糸し、焼成し、総フィラメント数24,000本、総繊度1,000テックス、比重1.8、ストランド引張強度5.9GPa、ストランド引張弾性率294GPaの炭素繊維を得た。次いで、その炭素繊維を、炭酸水素アンモニウム水溶液を電解液として、電気量を炭素繊維1g当たり120クーロンで電解表面処理した。この電解表面処理を施された炭素繊維を続いて水洗し、加熱空気中で乾燥し、原料となる炭素繊維を得た。このとき表面酸素濃度O/Cは、0.20であった。
・Carbon fiber 3
A polyacrylonitrile copolymer mainly composed of acrylonitrile is spun and baked, and the total number of filaments is 24,000, the total fineness is 1,000 tex, the specific gravity is 1.8, the strand tensile strength is 5.9 GPa, and the strand tensile modulus is 294 GPa. A carbon fiber was obtained. Then, the carbon fibers were subjected to an electrolytic surface treatment using an aqueous solution of ammonium hydrogen carbonate as an electrolytic solution with an amount of electricity of 120 coulombs per 1 g of the carbon fibers. The electrolytic surface-treated carbon fibers were then washed with water and dried in hot air to obtain carbon fibers as a raw material. At this time, the surface oxygen concentration O/C was 0.20.

この炭素繊維を用い、炭素繊維1と同様の手法でサイジング剤塗布炭素繊維束を得た。サイジング剤の付着量は、サイジング剤塗布炭素繊維に対して0.6質量%となるように調整した。洗浄後のサイジング剤付着量は0.19質量%であり、好ましい付着量であった。また、界面接着強度は45MPaであった。 Using this carbon fiber, a sizing agent-coated carbon fiber bundle was obtained in the same manner as the carbon fiber 1. The adhesion amount of the sizing agent was adjusted so as to be 0.6% by mass with respect to the sizing agent-coated carbon fiber. The sizing agent adhesion amount after washing was 0.19% by mass, which was a preferable adhesion amount. Moreover, the interfacial adhesive strength was 45 MPa.

・炭素繊維4
電気量を炭素繊維1g当たり80クーロンで電解表面処理した以外は炭素繊維3と同様にして、サイジング剤塗布炭素繊維束を得た。表面酸素濃度O/Cは、0.15であった。サイジング剤の付着量は、サイジング剤塗布炭素繊維に対して0.6質量%となるように調整した。洗浄後のサイジング剤付着量は0.16質量%であり、好ましい付着量であった。また、界面接着強度は43MPaであった。
・Carbon fiber 4
A sizing agent-coated carbon fiber bundle was obtained in the same manner as the carbon fiber 3, except that the electrolytic surface treatment was performed with an amount of electricity of 80 coulombs per gram of carbon fiber. The surface oxygen concentration O/C was 0.15. The adhesion amount of the sizing agent was adjusted so as to be 0.6% by mass with respect to the sizing agent-coated carbon fiber. The sizing agent adhesion amount after washing was 0.16% by mass, which was a preferable adhesion amount. Moreover, the interfacial adhesive strength was 43 MPa.

・炭素繊維5
電気量を炭素繊維1g当たり40クーロンで電解表面処理した以外は炭素繊維3と同様にして、サイジング剤塗布炭素繊維束を得た。表面酸素濃度O/Cは、0.13であった。サイジング剤の付着量は、サイジング剤塗布炭素繊維に対して0.6質量%となるように調整した。洗浄後のサイジング剤付着量は0.12質量%であり、好ましい付着量であった。また、界面接着強度は29MPaであった。
・Carbon fiber 5
A sizing agent-coated carbon fiber bundle was obtained in the same manner as in carbon fiber 3, except that the electrolytic surface treatment was performed with an amount of electricity of 40 coulombs per 1 g of carbon fiber. The surface oxygen concentration O/C was 0.13. The adhesion amount of the sizing agent was adjusted so as to be 0.6% by mass with respect to the sizing agent-coated carbon fiber. The sizing agent adhesion amount after washing was 0.12% by mass, which was a preferable adhesion amount. Moreover, the interfacial adhesive strength was 29 MPa.

・炭素繊維6
硫酸を電解液として、電気量を炭素繊維1g当たり20クーロンで電解表面処理した以外は炭素繊維3と同様にして、サイジング剤塗布炭素繊維束を得た。表面酸素濃度O/Cは、0.12であった。サイジング剤の付着量は、サイジング剤塗布炭素繊維に対して0.6質量%となるように調整した。洗浄後のサイジング剤付着量は0.13質量%であり、好ましい付着量であった。また、界面接着強度は27MPaであった。
・Carbon fiber 6
A sizing agent-coated carbon fiber bundle was obtained in the same manner as the carbon fiber 3, except that the electrolytic surface treatment was performed with sulfuric acid as an electrolyte and an amount of electricity of 20 coulombs per 1 g of carbon fiber. The surface oxygen concentration O/C was 0.12. The adhesion amount of the sizing agent was adjusted so as to be 0.6% by mass with respect to the sizing agent-coated carbon fiber. The sizing agent adhesion amount after washing was 0.13% by mass, which was a preferable adhesion amount. Moreover, the interfacial adhesive strength was 27 MPa.

・炭素繊維7
電気量を炭素繊維1g当たり10クーロンで電解表面処理し、ポリグリセリンポリグリシジルエーテルの代わりにエチレングリコールを使用した以外は炭素繊維6と同様にして、サイジング剤塗布炭素繊維束を得た。表面酸素濃度O/Cは、0.09であった。サイジング剤の付着量は、サイジング剤塗布炭素繊維に対して0.6質量%となるように調整した。洗浄後のサイジング剤付着量は0.05質量%であった。また、界面接着強度は21MPaであった。
・Carbon fiber 7
A sizing agent-coated carbon fiber bundle was obtained in the same manner as carbon fiber 6, except that the electrolytic surface treatment was performed with an amount of electricity of 10 coulombs per 1 g of carbon fiber, and ethylene glycol was used instead of polyglycerin polyglycidyl ether. The surface oxygen concentration O/C was 0.09. The adhesion amount of the sizing agent was adjusted so as to be 0.6% by mass with respect to the sizing agent-coated carbon fiber. The sizing agent adhesion amount after washing was 0.05% by mass. Moreover, the interfacial adhesive strength was 21 MPa.

・炭素繊維8
電解処理を行わない以外は炭素繊維7と同様にして、サイジング剤塗布炭素繊維束を得た。表面酸素濃度O/Cは、0.02であった。サイジング剤の付着量は、サイジング剤塗布炭素繊維に対して0.6質量%となるように調整した。洗浄後のサイジング剤付着量は0.02質量%であった。界面接着強度は18MPaであった。
・Carbon fiber 8
A sizing agent-coated carbon fiber bundle was obtained in the same manner as the carbon fiber 7, except that the electrolytic treatment was not performed. The surface oxygen concentration O/C was 0.02. The adhesion amount of the sizing agent was adjusted so as to be 0.6% by mass with respect to the sizing agent-coated carbon fiber. The sizing agent adhesion amount after washing was 0.02% by mass. The interfacial adhesive strength was 18 MPa.

(2)構成要素[B]
<単体で液晶性を示すエポキシ樹脂>
・エポキシ樹脂1
化合物名:2-メチル-1,4-フェニレン-ビス{4-(2,3-エポキシプロポキシ)ベンゾエート}、特開2010-241797号公報参照、エポキシ当量:245g/eq)を200℃に加熱融解し、そこへプレポリマー化剤としてレゾルシノール(水酸基当量:55g/eq)をエポキシ当量数:水酸基当量数が100:25になるように加え、窒素雰囲気下、200℃で3時間加熱することでエポキシ樹脂1を得た。プレポリマーの含有量は、2-メチル-1,4-フェニレン-ビス{4-(2,3-エポキシプロポキシ)ベンゾエートとそのプレポリマーの合計100質量部に対して53質量部であり、JIS K7236に従いエポキシ当量を測定したところ353g/eqであった。
(2) Component [B]
<Epoxy resin that exhibits liquid crystallinity by itself>
Epoxy resin 1
Compound name: 2-methyl-1,4-phenylene-bis{4-(2,3-epoxypropoxy)benzoate}, see JP-A-2010-241797, epoxy equivalent: 245 g/eq) is heated and melted at 200 ° C. Then, resorcinol (hydroxyl equivalent: 55 g/eq) was added as a prepolymerizing agent so that the ratio of epoxy equivalents:hydroxyl equivalents was 100:25, and the mixture was heated at 200°C for 3 hours in a nitrogen atmosphere to form epoxy resin. Resin 1 was obtained. The content of the prepolymer is 53 parts by mass with respect to a total of 100 parts by mass of 2-methyl-1,4-phenylene-bis{4-(2,3-epoxypropoxy)benzoate and its prepolymer, and conforms to JIS K7236. When the epoxy equivalent was measured according to the method, it was 353 g/eq.

・エポキシ樹脂2
化合物名: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、特許第5471975号公報参照、エポキシ当量:213g/eq)を200℃に加熱融解し、そこへプレポリマー化剤としてレゾルシノール(水酸基当量:55g/eq)をエポキシ当量数:水酸基当量数が100:25になるように加え、窒素雰囲気下、200℃で3時間加熱することでエポキシ樹脂2を得た。プレポリマーの含有量は、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)ベンゾエートとそのプレポリマーの合計100質量部に対して53質量部であり、JIS K7236に従いエポキシ当量を測定したところ320g/eqであった。
・Epoxy resin 2
Compound name: 4-{4-(2,3-epoxypropoxy)phenyl}cyclohexyl 4-(2,3-epoxypropoxy)benzoate, see Japanese Patent No. 5471975, epoxy equivalent: 213 g/eq) is heated to 200°C. It was melted, resorcinol (hydroxyl equivalent: 55 g/eq) was added as a prepolymerizing agent so that the ratio of epoxy equivalents:hydroxyl equivalents was 100:25, and heated at 200°C for 3 hours in a nitrogen atmosphere. Epoxy resin 2 was obtained. The content of the prepolymer is 53 parts by mass with respect to a total of 100 parts by mass of 4-{4-(2,3-epoxypropoxy)phenyl}cyclohexyl 4-(2,3-epoxypropoxy)benzoate and its prepolymer. The epoxy equivalent was measured according to JIS K7236 and found to be 320 g/eq.

・エポキシ樹脂3
化合物名: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、特許第5471975号公報参照、エポキシ当量:213g/eq)を200℃に加熱融解し、そこへプレポリマー化剤としてビスフェノールF(水酸基当量:100g/eq)を、エポキシ当量数:水酸基当量数が100:15になるように加え、窒素雰囲気下、200℃で3時間加熱することでエポキシ樹脂3を得た。プレポリマーの含有量は、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)ベンゾエートとそのプレポリマーの合計100質量部に対して38質量部であり、JIS K7236に従いエポキシ当量を測定したところ309g/eqであった。
・Epoxy resin 3
Compound name: 4-{4-(2,3-epoxypropoxy)phenyl}cyclohexyl 4-(2,3-epoxypropoxy)benzoate, see Japanese Patent No. 5471975, epoxy equivalent: 213 g/eq) is heated to 200°C. Melt, add bisphenol F (hydroxyl equivalent: 100 g/eq) as a prepolymerizing agent to the mixture so that the ratio of epoxy equivalents to hydroxyl equivalents is 100:15, and heat at 200°C for 3 hours in a nitrogen atmosphere. Epoxy resin 3 was thus obtained. The content of the prepolymer is 38 parts by mass with respect to a total of 100 parts by mass of 4-{4-(2,3-epoxypropoxy)phenyl}cyclohexyl 4-(2,3-epoxypropoxy)benzoate and its prepolymer. The epoxy equivalent was measured according to JIS K7236 and found to be 309 g/eq.

<単体では液晶性を示さないエポキシ樹脂>
・“アラルダイト(登録商標)”MY0610(トリグリシジル-m-アミノフェノール、ハンツマン・ジャパン(株)製)
・“jER(登録商標)”YX4000H(ビフェニル型エポキシ樹脂、三菱ケミカル(株)製)
・“jER(登録商標)”604(テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン、三菱ケミカル(株)製)
・“jER(登録商標)”828(ビスフェノールA型エポキシ樹脂、三菱ケミカル(株)製)。
<Epoxy resin that does not show liquid crystallinity>
・ “Araldite (registered trademark)” MY0610 (triglycidyl-m-aminophenol, manufactured by Huntsman Japan Co., Ltd.)
・ “jER (registered trademark)” YX4000H (biphenyl type epoxy resin, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation)
・ “jER (registered trademark)” 604 (tetraglycidyldiaminodiphenylmethane, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation)
- "jER (registered trademark)" 828 (bisphenol A type epoxy resin, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation).

(3)構成要素[C]
・4,4’-DABAN(4,4’-ジアミノベンズアニリド、日本純良薬品(株)製)
・3,4’-DABAN(3,4’-ジアミノベンズアニリド、日本純良薬品(株)製)
・o-トリジン(3,3’-ジメチルベンジジン、日本純良薬品(株)製)
・4,4’-BAAB(4-アミノ安息香酸4-アミノフェニル、日本純良薬品(株)製))
・4,4’-APTP(ビス(4-アミノフェニル)テレフタルアミド、日本純良薬品(株)製)。
(3) Component [C]
· 4,4'-DABAN (4,4'-diaminobenzanilide, manufactured by Nippon Junryo Pharmaceutical Co., Ltd.)
· 3,4'-DABAN (3,4'-diaminobenzanilide, manufactured by Nippon Junryo Pharmaceutical Co., Ltd.)
・ o-Tolidine (3,3′-dimethylbenzidine, manufactured by Nippon Junryo Yakuhin Co., Ltd.)
· 4,4'-BAAB (4-aminophenyl 4-aminobenzoate, manufactured by Nippon Junryo Yakuhin Co., Ltd.))
- 4,4'-APTP (bis(4-aminophenyl)terephthalamide, manufactured by Nippon Junryo Yakuhin Co., Ltd.).

(4)その他の成分
・構成要素[C]以外の硬化剤“セイカキュア(登録商標)”-S(4,4’-ジアミノジフェニルスルホン、和歌山精化(株)製)
・熱可塑性樹脂“Virantage(登録商標)”VW-10700RFP(ポリエーテルスルホン、ソルベイアドバンストポリマーズ(株)製)。
(4) Other components/components Curing agent other than [C] “Seikacure (registered trademark)”-S (4,4′-diaminodiphenylsulfone, manufactured by Wakayama Seika Co., Ltd.)
- Thermoplastic resin "Virantage (registered trademark)" VW-10700RFP (polyethersulfone, manufactured by Solvay Advanced Polymers Co., Ltd.).

<各種評価法>
(5)炭素繊維の表面酸素濃度O/Cの測定
炭素繊維の表面酸素濃度(O/C)は、次の手順に従いX線光電子分光法により求めた。まず、溶媒で表面に付着している汚れを除去した炭素繊維を、約20mmにカットし、銅製の試料支持台に拡げた。次に、試料支持台を試料チャンバー内にセットし、試料チャンバー中を1×10-8Torrに保った。続いて、X線源としてAlKα1、2を用い、光電子脱出角度を90°として測定を行った。なお、測定時の帯電に伴うピークの補正値としてC1sのメインピーク(ピークトップ)の結合エネルギー値を284.6eVに合わせた。C1sメイン面積は、282~296eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求めた。また、O1sピーク面積は、528~540eVの範囲で直線のベースラインを引くことにより求めた。ここで、表面酸素濃度とは、上記のO1sピーク面積とC1sピーク面積の比から装置固有の感度補正値を用いて原子数比として算出したものである。X線光電子分光法装置として、アルバック・ファイ(株)製ESCA-1600を用い、上記装置固有の感度補正値は2.33であった。
<Various evaluation methods>
(5) Measurement of Surface Oxygen Concentration O/C of Carbon Fiber The surface oxygen concentration (O/C) of carbon fiber was obtained by X-ray photoelectron spectroscopy according to the following procedure. First, the carbon fiber, from which dirt adhering to the surface was removed with a solvent, was cut to about 20 mm and spread on a copper sample support. Next, the sample support was set in the sample chamber, and the inside of the sample chamber was maintained at 1×10 −8 Torr. Subsequently, AlK α1, 2 was used as the X-ray source, and the photoelectron escape angle was set to 90° for measurement. The binding energy value of the main peak (peak top) of C1s was adjusted to 284.6 eV as a peak correction value associated with charging during measurement. The C 1s main area was determined by drawing a straight baseline in the range 282-296 eV. The O 1s peak area was obtained by drawing a straight baseline in the range of 528-540 eV. Here, the surface oxygen concentration is calculated as an atomic number ratio from the ratio of the O 1s peak area to the C 1s peak area using the apparatus-specific sensitivity correction value. As an X-ray photoelectron spectroscopy apparatus, ESCA-1600 manufactured by ULVAC-Phi, Inc. was used, and the sensitivity correction value unique to the apparatus was 2.33.

(6)サイジング剤付着量の測定
サイジング塗布炭素繊維のサイジング剤の付着量は、次の手順に従い求めた。まず、サイジング塗布炭素繊維を2±0.5g採取し、窒素雰囲気中450℃にて加熱処理を15分間行った。このときの加熱処理前後の質量変化量を加熱処理前の質量で除した値の質量%をサイジング剤の付着量とした。
(6) Measurement of sizing agent adhesion amount The sizing agent adhesion amount of the sizing-coated carbon fiber was determined according to the following procedure. First, 2±0.5 g of sizing-coated carbon fiber was sampled and heat-treated at 450° C. for 15 minutes in a nitrogen atmosphere. The mass % of the value obtained by dividing the amount of change in mass before and after the heat treatment by the mass before the heat treatment was defined as the adhesion amount of the sizing agent.

(7)洗浄後のサイジング剤付着量の測定
洗浄後のサイジング剤の付着量は次のように測定した。まず、サイジング剤塗布炭素繊維2±0.5gをアセトニトリルとクロロホルムを体積比9対1で混合した溶液10mlに浸漬し、超音波洗浄を20分間行い、繊維からサイジング剤を溶出させた後、十分に乾燥させて質量を測定した。さらにこの洗浄後炭素繊維を窒素雰囲気中450℃にて加熱処理を15分間行った。このときの加熱処理前後の質量変化量を、加熱処理前の質量で除した値の質量%を洗浄後のサイジング剤の付着量とした。
(7) Measurement of sizing agent adhesion amount after washing The adhesion amount of the sizing agent after washing was measured as follows. First, 2 ± 0.5 g of sizing agent-coated carbon fibers are immersed in 10 ml of a solution in which acetonitrile and chloroform are mixed at a volume ratio of 9:1, and ultrasonically cleaned for 20 minutes to elute the sizing agent from the fibers. It was dried and weighed. Further, after washing, the carbon fibers were heat-treated at 450° C. for 15 minutes in a nitrogen atmosphere. The amount of change in mass before and after the heat treatment was divided by the mass before the heat treatment, and the mass % of the value was taken as the adhesion amount of the sizing agent after cleaning.

(8)界面剪断強度(IFSS)の測定
界面剪断強度(IFSS)の測定は、次の(イ)~(ニ)の手順で行った。
(8) Measurement of interfacial shear strength (IFSS) Interfacial shear strength (IFSS) was measured by the following procedures (a) to (d).

(イ)樹脂の調製
ビスフェノールA型エポキシ化合物“jER(登録商標)”828(三菱ケミカル(株)製)100質量部とメタフェニレンジアミン(シグマアルドリッチジャパン(株)製)14.5質量部を、それぞれ容器に入れた。その後、上記のjER828の粘度低下とメタフェニレンジアミンの溶解のため、75℃の温度で15分間加熱した。その後、両者をよく混合し、80℃の温度で約15分間真空脱泡を行った。
(B) Preparation of resin 100 parts by mass of bisphenol A type epoxy compound "jER (registered trademark)" 828 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) and 14.5 parts by mass of metaphenylenediamine (manufactured by Sigma-Aldrich Japan Co., Ltd.) placed in each container. After that, it was heated at a temperature of 75° C. for 15 minutes in order to reduce the viscosity of jER828 and dissolve the meta-phenylenediamine. After that, both were well mixed and vacuum defoaming was performed at a temperature of 80° C. for about 15 minutes.

(ロ)炭素繊維単糸を専用モールドに固定
炭素繊維束から単繊維を抜き取り、ダンベル型モールドの長手方向に単繊維に一定張力を与えた状態で両端を接着剤で固定した。その後、炭素繊維およびモールドに付着した水分を除去するため、80℃の温度で30分間以上真空乾燥を行った。ダンベル型モールドはシリコーンゴム製で、注型部分の形状は、中央部分巾5mm、長さ25mm、両端部分巾10mm、全体長さ150mmであった。
(b) Fixing carbon fiber single yarn to special mold A single fiber was pulled out from the carbon fiber bundle, and both ends were fixed with an adhesive while a constant tension was applied to the single fiber in the longitudinal direction of the dumbbell-shaped mold. Thereafter, vacuum drying was performed at a temperature of 80° C. for 30 minutes or longer in order to remove water adhering to the carbon fibers and the mold. The dumbbell mold was made of silicone rubber, and the shape of the cast part was 5 mm wide at the center, 25 mm long, 10 mm wide at both ends, and 150 mm long.

(ハ)樹脂注型から硬化まで
上記(ロ)の手順の真空乾燥後のモールド内に、上記(イ)の手順で調整した樹脂を流し込み、オーブンを用いて、昇温速度1.5℃/分で75℃の温度まで上昇し2時間保持後、昇温速度1.5℃/分で125℃の温度まで上昇し2時間保持後、降温速度2.5℃/分で30℃の温度まで降温した。その後、脱型して試験片を得た。
(C) From resin casting to curing Pour the resin prepared in the above procedure (A) into the mold after vacuum drying in the above procedure (B), and use an oven to raise the temperature at a rate of 1.5 ° C./ After the temperature was raised to 75°C at 1.5°C/min and held for 2 hours, the temperature was raised to 125°C at a temperature rise rate of 1.5°C/min and held for 2 hours. The temperature has dropped. After that, the mold was removed to obtain a test piece.

(ニ)界面剪断強度(IFSS)の測定
上記(ハ)の手順で得られた試験片に繊維軸方向(長手方向)に歪速度0.3%/秒で引張力を与え、歪みを12%生じさせた後、偏光顕微鏡により試験片中心部22mmの範囲における繊維破断数N(個)を測定した。次に、平均破断繊維長laを、la(μm)=22×1000(μm)/N(個)の式により計算した。次に、平均破断繊維長laから臨界繊維長lcを、lc(μm)=(4/3)×la(μm)の式により計算した。ストランド引張強度σと炭素繊維単糸の直径dを測定し、炭素繊維と樹脂界面の接着強度の指標である界面剪断強度IFSSを、次式で算出した。実施例では、測定数n=5の平均を試験結果とした。
・界面剪断強度IFSS(MPa)=σ(MPa)×d(μm)/(2×lc)(μm)。
(D) Measurement of interfacial shear strength (IFSS) A tensile force is applied to the test piece obtained by the procedure in (C) above at a strain rate of 0.3% / sec in the fiber axis direction (longitudinal direction), and the strain is 12%. After forming, the number of fiber breakages N (pieces) in the range of 22 mm from the center of the test piece was measured with a polarizing microscope. Next, the average broken fiber length la was calculated by the formula la (μm)=22×1000 (μm)/N (pieces). Next, the critical fiber length lc was calculated from the average broken fiber length la by the formula lc (μm)=(4/3)×la (μm). The strand tensile strength σ and the diameter d of the carbon fiber single yarn were measured, and the interfacial shear strength IFSS, which is an index of the adhesive strength between the carbon fiber and the resin interface, was calculated by the following formula. In the examples, the average of the number of measurements n=5 was used as the test result.
- Interfacial shear strength IFSS (MPa) = σ (MPa) x d (μm) / (2 x lc) (μm).

(9)エポキシ樹脂組成物の調製
ニーダー中に、表1に示す配合比(質量部)で、硬化剤、硬化促進剤以外の成分を所定量加え、混練しつつ、160℃まで昇温し、160℃1時間混練することで、透明な粘調液を得た。混練しつつ80℃まで降温させた後、硬化剤、を所定量添加え、さらに混練し、エポキシ樹脂組成物を得た。
(9) Preparation of epoxy resin composition In a kneader, a predetermined amount of components other than the curing agent and the curing accelerator are added at the compounding ratio (parts by mass) shown in Table 1, and the mixture is heated to 160°C while kneading. By kneading at 160° C. for 1 hour, a transparent viscous liquid was obtained. After the temperature was lowered to 80° C. while kneading, a predetermined amount of a curing agent was added and further kneaded to obtain an epoxy resin composition.

(10)プリプレグの作製
エポキシ樹脂組成物を、ナイフコーターを用いて離型紙上に塗布して樹脂フィルムを作製した。次に、シート状に一方向に配列させた構成要素[A]の炭素繊維に、樹脂フィルム2枚を炭素繊維の両面から重ね、加熱加圧により樹脂を炭素繊維に含浸させ、炭素繊維の目付が190g/m、樹脂組成物の重量分率が35%の一方向プリプレグを得た。
(10) Production of prepreg The epoxy resin composition was applied onto release paper using a knife coater to produce a resin film. Next, two resin films are superimposed on the carbon fibers of the component [A] arranged in one direction in a sheet form from both sides of the carbon fibers, and the carbon fibers are impregnated with the resin by heating and pressing, and the basis weight of the carbon fibers is obtained. was 190 g/m 2 and the weight fraction of the resin composition was 35%.

(11)モードI層間靭性(GIC)試験用複合材料製平板の作製とGIC測定
JIS K7086(1993)に準じ、次の(a)~(e)の操作によりGIC試験用複合材料製平板を作製した。
(11) Preparation of composite material flat plate for mode I interlaminar toughness (G IC ) test and measurement of G IC According to JIS K7086 (1993), a composite material for G IC test is manufactured by the following operations (a) to (e). A flat plate was produced.

(a)(10)で作製した一方向プリプレグを、繊維方向を揃えて20ply積層した。ただし、積層中央面(10ply目と11ply目の間)に、繊維配列方向と直角に、幅40mm、厚み50μmのフッ素樹脂製フィルムをはさんだ。 (a) 20 plies of the unidirectional prepreg produced in (10) were laminated with the fiber direction aligned. However, a fluororesin film having a width of 40 mm and a thickness of 50 μm was sandwiched between the lamination center plane (between the 10th ply and the 11th ply) perpendicularly to the fiber arrangement direction.

(b)積層したプリプレグをナイロンフィルムで隙間のないように覆い、オートクレーブ中で180℃2時間、内圧0.59MPaで加熱加圧して硬化し、一方向炭素繊維強化複合材料を成形した。 (b) The laminated prepregs were covered with a nylon film without gaps, and cured by heating and pressing in an autoclave at 180° C. for 2 hours at an internal pressure of 0.59 MPa to form a unidirectional carbon fiber reinforced composite material.

(c)(b)で得た一方向炭素繊維強化複合材料を、幅20mm、長さ195mmにカットした。繊維方向は、試験片の長さ側と平行になるようにカットした。 (c) The unidirectional carbon fiber reinforced composite material obtained in (b) was cut into a width of 20 mm and a length of 195 mm. The fiber direction was cut so as to be parallel to the length side of the test piece.

(d)JIS K7086(1993)に記載のピン負荷用ブロック(長さ25mm、アルミ製)では試験時に接着部が剥がれてしまったため、代わりにトライアングル状グリップを使用した(図1)。試験片端(フッ素樹脂製フィルムを挟んだ側)から4mmの位置に幅方向両端に1mm長さのノッチを入れ、トライアングル状グリップを引っかけた。試験はトライアングル状の治具をインストロン万能試験機(インストロン社製)のクロスヘッドで引っ張ることで試験片に荷重を与えた。 (d) Since the pin loading block (25 mm in length, made of aluminum) described in JIS K7086 (1993) had its adhesive part peeled off during the test, a triangular grip was used instead (Fig. 1). Notches with a length of 1 mm were made at both ends in the width direction at a position 4 mm from the end of the test piece (the side on which the fluororesin film was sandwiched), and a triangular grip was hooked. In the test, a load was applied to the test piece by pulling a triangular jig with a crosshead of an Instron universal testing machine (manufactured by Instron).

(e)亀裂進展を観察しやすくするため、試験片の両側面に白色塗料を塗った。 (e) White paint was applied to both sides of the test piece to facilitate observation of crack growth.

作製した複合材料製平板を用いて、以下の手順により、GIC測定を行った。JIS K7086(1993)附属書1に従い、インストロン万能試験機(インストロン社製)を用いて試験を行った。クロスヘッドスピードは、亀裂進展が20mmに到達するまでは0.5mm/分、20mm到達後は1mm/分とした。試験は亀裂が100mm進展するまで行い、試験中に取得した荷重-変位線図の面積からGICを算出した。 Using the composite material flat plate thus produced, GIC measurement was performed according to the following procedure. According to JIS K7086 (1993) Annex 1, the test was performed using an Instron universal testing machine (manufactured by Instron). The crosshead speed was 0.5 mm/min until the crack growth reached 20 mm, and 1 mm/min after reaching 20 mm. The test was conducted until the crack propagated by 100 mm, and the G IC was calculated from the area of the load-displacement diagram obtained during the test.

(12)0°圧縮強度測定
一方向プリプレグを所定の大きさにカットし、一方向に6枚積層した後、真空バッグを行い、オートクレーブを用いて、温度180℃、圧力0.59MPa、2時間で硬化させ、一方向強化材(炭素繊維複合材料)を得た。この一方向強化材をSACMA-SRM 1R-94に準拠してタブを接着した後、0°方向を試験片の長さ方向にして、長さ80.0mm、幅15.0mmの矩形試験片を切り出した。得られた0°方向圧縮試験片を23℃環境下においてSACMA-SRM 1R-94に準拠し、材料万能試験機(インストロン・ジャパン(株)製、“インストロン(登録商標)”5565型P8564)を用いて、試験速度1.0mm/minで圧縮試験を実施した。
(12) 0° compressive strength measurement Cut a unidirectional prepreg into a predetermined size, laminate 6 sheets in one direction, vacuum bag, and use an autoclave at a temperature of 180 ° C and a pressure of 0.59 MPa for 2 hours. to obtain a unidirectional reinforcing material (carbon fiber composite material). After bonding the tab to this unidirectional reinforcing material in accordance with SACMA-SRM 1R-94, a rectangular test piece having a length of 80.0 mm and a width of 15.0 mm was prepared with the 0 ° direction as the length direction of the test piece. cut out. The obtained 0° direction compression test piece was placed in a 23° C. environment according to SACMA-SRM 1R-94, and a material universal testing machine (manufactured by Instron Japan Co., Ltd., “Instron (registered trademark)” 5565 type P8564 ) at a test speed of 1.0 mm/min.

(13)偏光顕微鏡による観察
(10)で作製した一方向プリプレグを幅50mm、長さ50mmにカットし、プリプレグが幅80mm以上となるように繊維間隔を手で広げた後、オーブンにて180℃2時間の条件で硬化し、観察用の炭素繊維強化複合材料の試験体を得た。試験体の樹脂領域を偏光顕微鏡(キーエンス(株)製;VHX-5000、偏光フィルター付き)により観察を行った。ファンシェイプ組織やフォーカルコニック組織といった高次構造形成が観察された場合(明視野)を「A」、高次構造が観察されなかった場合(暗視野)を「B」とした。
(13) Observation with a polarizing microscope Cut the unidirectional prepreg prepared in (10) into a width of 50 mm and a length of 50 mm. It was cured for 2 hours to obtain a carbon fiber reinforced composite material specimen for observation. The resin region of the specimen was observed with a polarizing microscope (manufactured by Keyence Corporation; VHX-5000, with a polarizing filter). A case in which formation of a higher-order structure such as a fan-shaped structure or a focal conic structure was observed (bright field) was rated as "A", and a case in which no higher-order structure was observed (dark field) was rated as "B".

(14)X線回折による回折角度2θの測定
(10)で作製した一方向プリプレグを厚さ約1mmとなるように積層した後、積層したプリプレグをナイロンフィルムで隙間のないように覆い、オートクレーブ中で180℃2時間、内圧0.59MPaで加熱加圧して硬化し、一方向炭素繊維強化複合材料を成形した。成形した炭素繊維強化複合材料を用いて、長さ20mm、幅10mmにカットし、試験片を得た。測定は以下の条件により、炭素繊維複合材料内の炭素繊維軸に対して平行(0°)、垂直(90°)、45°に対して行った。
・装置:X’ PertPro(スペクトリス(株)PANalytical事業部製)
・X線源:CuKα線(管電圧45kV、管電流40mA)
・検出器:ゴニオメーター+モノクロメーター+シンチレーションカウンター
・走査範囲:2θ=1~90°
・走査モード:ステップスキャン、ステップ単位0.1°、計数時間40秒
1~10°範囲における回折角度2θのピークを表1に記載した。また、ピークを有さない場合は「B」と記載した。
(14) Measurement of diffraction angle 2θ by X-ray diffraction After laminating the unidirectional prepregs produced in (10) to a thickness of about 1 mm, the laminated prepregs are covered with a nylon film without any gaps, and placed in an autoclave. At 180° C. for 2 hours, the mixture was cured by heating and pressurizing at an internal pressure of 0.59 MPa to form a unidirectional carbon fiber reinforced composite material. Using the molded carbon fiber reinforced composite material, it was cut into a length of 20 mm and a width of 10 mm to obtain a test piece. Measurements were made parallel (0°), perpendicular (90°), and 45° to the carbon fiber axis in the carbon fiber composite material under the following conditions.
・Apparatus: X'PertPro (manufactured by Spectris Co., Ltd. PANalytical Division)
・X-ray source: CuKα ray (tube voltage 45 kV, tube current 40 mA)
・Detector: goniometer + monochromator + scintillation counter ・Scanning range: 2θ = 1 to 90°
Scanning mode: step scan, step unit 0.1°, counting time 40 seconds Moreover, when it does not have a peak, it described as "B."

(15)偏光ラマン分光による樹脂硬化物中の分子異方性の測定
(10)で作製した炭素繊維複合材料から2cm角を切り出すことで、試験片を得た。測定は、炭素繊維複合材料内の樹脂部分について任意の5箇所に対して、以下の条件により行った。
・装置:PDP320((株)PHOTO Design製)
・ビーム径:1μm
・光源:YAGレーザー/1064nm
・回折格子:Single 300gr/mm
・スリット:100μm
・検出器:CCD:Jobin Yvon 1024×256
・対物レンズ:×100。
(15) Measurement of Molecular Anisotropy in Cured Resin Material by Polarized Raman Spectroscopy A test piece was obtained by cutting a 2 cm square from the carbon fiber composite material produced in (10). The measurement was performed under the following conditions at five arbitrary locations on the resin portion in the carbon fiber composite material.
・ Apparatus: PDP320 (manufactured by PHOTO Design Co., Ltd.)
・Beam diameter: 1 μm
・Light source: YAG laser/1064 nm
・Diffraction grating: Single 300gr/mm
・Slit: 100 μm
・Detector: CCD: Jobin Yvon 1024×256
- Objective lens: x100.

測定した試験片の任意の方向を0°とし、偏光方向を0°~150まで30°間隔で変化させて偏光ラマン分光を測定。芳香環のC=C伸縮振動に由来する1600cm-1付近のラマンバンド強度について、±20%以上変動した偏光方位を有する場合は異方性ありとして表1,2に「A」と記載し、測定した5箇所について偏光方位0°~150°のいずれも変動幅が20%以下だった場合は異方性なしとして表1,2に「B」と記載した。 Polarized Raman spectroscopy was measured by changing the polarization direction from 0° to 150 at intervals of 30°, with the arbitrary direction of the measured test piece set to 0°. Regarding the Raman band intensity near 1600 cm −1 derived from the C=C stretching vibration of the aromatic ring, if it has a polarization orientation that varies by ±20% or more, it is considered anisotropic in Tables 1 and 2. If the fluctuation width was 20% or less at any of the five measured points in the range of 0° to 150° of the polarization direction, it was indicated as "B" in Tables 1 and 2 as no anisotropy.

(16)耐熱性測定
一方向プリプレグを所定の大きさにカットし、一方向に12枚積層した後、真空バッグを行い、オートクレーブを用いて、温度180℃、圧力0.59MPa、2時間で硬化させ、一方向強化材(炭素繊維複合材料)を得た。この一方向強化材を0°方向を試験片の長さ方向にして、長さ50.0mm、幅12.7mmの矩形試験片を切り出した。得られた0°方向試験片を、40℃~300℃において5℃/分、昇温過程の捻りひずみDMA測定を行った。得られた貯蔵弾性率変化曲線に対して、2つの直線部を延長した交点をガラス転移温度とした。2つの直線部とは、急激に貯蔵弾性率が低下する前の直線部と、貯蔵弾性率が急激に低下する過程にあらわれる直線部のことである。
(16) Measurement of heat resistance Cut a unidirectional prepreg into a predetermined size, laminate 12 prepregs in one direction, vacuum bag, and cure in an autoclave at a temperature of 180 ° C. and a pressure of 0.59 MPa for 2 hours. to obtain a unidirectional reinforcing material (carbon fiber composite material). A rectangular test piece having a length of 50.0 mm and a width of 12.7 mm was cut from the unidirectional reinforcing material with the 0° direction as the longitudinal direction of the test piece. The resulting 0° direction test piece was subjected to torsional strain DMA measurement during the heating process at 5°C/min from 40°C to 300°C. The glass transition temperature was defined as the point of intersection obtained by extending the two linear portions of the obtained storage modulus change curve. The two linear portions are a linear portion before the rapid decrease in storage modulus and a linear portion appearing in the process of rapid decrease in storage elastic modulus.

(実施例1~16、比較例1~5)
表1および表2の配合比に従って上記(9)エポキシ樹脂組成物の調製の手順で炭素繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物を作製した。得られたエポキシ樹脂組成物を用いて、上記(10)プリプレグの作製の手順でプリプレグを得た。得られたプリプレグを用いて、上記の(11)モードI層間靭性(GIC)試験用複合材料製平板の作製とGIC測定、(12)0°引張強度試験用複合材料製平板の作製と測定、(13)偏光顕微鏡による観察、(14)X線回折による回折角度2θの測定、(15)偏光ラマン分光による樹脂組成物中の異方性の測定を行った。結果を表1に示す。
(Examples 1 to 16, Comparative Examples 1 to 5)
Epoxy resin compositions for carbon fiber reinforced composite materials were prepared according to the compounding ratios shown in Tables 1 and 2 by the procedure of (9) Epoxy resin composition preparation. Using the obtained epoxy resin composition, a prepreg was obtained according to the procedure of (10) Preparation of prepreg. Using the obtained prepreg, the above (11) preparation of composite material flat plate for mode I interlaminar toughness (G IC ) test and G IC measurement, and (12) preparation of composite material flat plate for 0° tensile strength test (13) observation with a polarizing microscope, (14) measurement of diffraction angle 2θ by X-ray diffraction, and (15) measurement of anisotropy in the resin composition by polarized Raman spectroscopy. Table 1 shows the results.

実施例の各種測定結果は表1、比較例の各種測定結果は表2に示す通りであり、実施例1~16のように高次構造を有する樹脂組成物と好ましい表面酸素濃度を有する炭素繊維の組合せにより、優れたモードI層間靱性GIC、0°圧縮強度、耐熱性が得られた。 Various measurement results of Examples are shown in Table 1, and various measurement results of Comparative Examples are shown in Table 2. As in Examples 1 to 16, carbon fibers having a resin composition having a higher-order structure and a preferable surface oxygen concentration , excellent mode I interlaminar toughness G IC , 0° compressive strength, and heat resistance were obtained.

比較例1は、本発明における構成要素[A]、[B]、[C]を用いているが、樹脂組成物の硬化物が高次構造を形成していない場合である。比較例1は、同じ構成要素[A]および[C]を用いた実施例1と比較して0°圧縮強度が同等でありながら、大幅にモードI層間靱性GICが低く、本発明により特にモードI層間靱性GICが飛躍的に向上していることがわかる。 Comparative Example 1 uses the constituent elements [A], [B], and [C] of the present invention, but the cured product of the resin composition does not form a higher-order structure. Compared to Example 1 using the same components [A] and [C], Comparative Example 1 has a substantially lower Mode I interlaminar toughness G IC while having an equivalent 0° compressive strength. It can be seen that the mode I interlaminar toughness G IC is dramatically improved.

また、比較例2および3は、本発明における構成要素[B]および[C]を用い、樹脂組成物の硬化物は高次構造形成している場合であるが、構成要素[A]の表面酸素濃度が低く、本発明の構成要素[A]の要件を満たさない場合である。この場合、構成要素[B]および[C]がそれぞれ同一の実施例1および実施例7と比較して、大幅にモードI層間靱性GICが低く、本発明の構成要素[A]要件を満たすことによりモードI層間靱性GICが飛躍的に向上していることがわかる。 In Comparative Examples 2 and 3, the constituent elements [B] and [C] of the present invention were used, and the cured product of the resin composition formed a higher-order structure, but the surface of the constituent element [A] This is the case where the oxygen concentration is low and does not satisfy the requirements of the component [A] of the present invention. In this case, components [B] and [C] have significantly lower Mode I interlaminar toughness G IC compared to identical Examples 1 and 7, respectively, satisfying the component [A] requirements of the present invention. Therefore, it can be seen that the mode I interlaminar toughness GIC is dramatically improved.

比較例4および5は、本発明の構成要素[A]と[B]を用い、樹脂組成物の硬化物が高次構造形成している場合であるが、構成要素[C]の要件を満たさない硬化剤を用いた場合である。高次構造形成していることにより、モードI層間靱性GICは、非高次構造形成の場合と比較して高い値であるが、それぞれ同一の構成要素[A]と[B]を用いた実施例4および3と比較して、特に0°圧縮強度、耐熱性が低く、本発明の構成要素[C]を満たす硬化剤によって、0°圧縮強度、耐熱性を向上させられることが分かる。 Comparative Examples 4 and 5 are cases in which the constituent elements [A] and [B] of the present invention are used and the cured product of the resin composition forms a higher-order structure, but the requirements for the constituent element [C] are satisfied. This is the case when using a curing agent that does not have Due to the formation of a higher-order structure, the mode I interlaminar toughness G IC is a higher value than in the case of no formation of a higher-order structure, but the same constituent elements [A] and [B] were used, respectively. Compared to Examples 4 and 3, the 0° compressive strength and heat resistance are particularly low, and it can be seen that the 0° compressive strength and heat resistance can be improved by the curing agent that satisfies the component [C] of the present invention.

実施例9は、本発明の構成要素[C]として、分子構造内に六員環を3つもつ硬化剤を用いた場合である。この場合、高次構造形成によって、高いモードI層間靱性GICと剛直骨格硬化剤によって比較例5と比較した際の高い0°圧縮強度を発現することが分かったが、同一の構成要素[A]および[B]を用いた実施例6と比較して0°圧縮強度は低い値になった。樹脂組成物の硬化物中にわずかに溶け残った構成要素[C]が原因と考えられる。溶け残りを生じさせないという観点から、構成要素[C]は、分子構造中に六員環構造を2つ.有するものが好ましい。 Example 9 is a case of using a curing agent having three six-membered rings in its molecular structure as the component [C] of the present invention. In this case, it was found that due to the formation of higher-order structures, the high mode I interlaminar toughness G IC and the rigid skeleton hardener developed a high 0° compressive strength when compared to Comparative Example 5, but the same constituent [A ] and [B], the 0° compressive strength was lower than that of Example 6. The reason for this is considered to be the constituent element [C] that remains slightly undissolved in the cured product of the resin composition. From the viewpoint of not leaving undissolved residue, the constituent element [C] preferably has two six-membered ring structures in its molecular structure.

実施例10と実施例1、13、15を比較すると、構成要素[B]として、単体で液晶性を示すエポキシ樹脂に加えて単体で液晶性を示さないエポキシ樹脂を構成要素[B]全体100質量部に対して1~25質量部含むことで、耐熱性を維持しつつ、モードI層間靭性(GIC)、0°圧縮強度が向上し、より好適であることが分かる。 Comparing Example 10 with Examples 1, 13, and 15, as the constituent element [B], in addition to the epoxy resin that shows liquid crystallinity by itself, the epoxy resin that does not show liquid crystallinity by itself is used as constituent element [B]. By including 1 to 25 parts by mass with respect to parts by mass, mode I interlaminar toughness (G IC ) and 0° compressive strength are improved while maintaining heat resistance.

Figure 0007287171000010
Figure 0007287171000010

Figure 0007287171000011
Figure 0007287171000011

Claims (10)

下記構成要素[A]~[C]を含み、かつ条件[I]および[II]を満たすプリプレグ。
[A]:炭素繊維
[B]:エポキシ樹脂
[C]:一般式(1)で示される構造を有する硬化剤。
Figure 0007287171000012
(一般式(1)中、Xは、単結合、もしくは群(I)から1つ選ばれる。P、Pは同一であっても相異なっていてもよく、群(II)に示される構造のいずれかから選ばれる。群(II)中のWは各々独立に、炭素数1~8の脂肪族炭化水素基、炭素数1~8の脂肪族アルコキシ基、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子、シアノ基、ニトロ基、又はアセチル基を示す。nは各々独立に0~4の整数を示す。置換基Wは、全てが同一であっても異なっていてもよく、あるいは一部が同一であってもよい。群(II)におけるXは、群(I)から1つ選ばれる。F、Fはエポキシ基と反応可能な活性基であり、群(II)から選ばれる六員環に直接結合している。)
Figure 0007287171000013
Figure 0007287171000014
[I]:X線光電子分光法により測定される[A]の表面酸素濃度O/Cが0.10以上である。
[II]:構成要素[B]および[C]を含むエポキシ樹脂組成物の硬化物がクロスニコル状態での偏光顕微鏡観察にて干渉模様を示す分子異方性を有する樹脂領域を含む。
A prepreg that contains the following components [A] to [C] and satisfies the conditions [I] and [II].
[A]: Carbon fiber [B]: Epoxy resin [C]: Curing agent having a structure represented by general formula (1).
Figure 0007287171000012
(In general formula (1), X 1 is a single bond or one selected from group (I). P 1 and P 2 may be the same or different, and are shown in group (II). Each W in group (II) is independently an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 8 carbon atoms, an aliphatic alkoxy group having 1 to 8 carbon atoms, a fluorine atom, a chlorine atom, represents a bromine atom, an iodine atom, a cyano group, a nitro group, or an acetyl group, and each n independently represents an integer of 0 to 4. The substituents W may all be the same or different, or X 2 in group (II) is one selected from group (I), F 1 and F 2 are active groups capable of reacting with epoxy groups, and directly attached to a six-membered ring selected from
Figure 0007287171000013
Figure 0007287171000014
[I]: The surface oxygen concentration O/C of [A] measured by X-ray photoelectron spectroscopy is 0.10 or more.
[II]: A cured product of an epoxy resin composition containing components [B] and [C] contains a resin region having molecular anisotropy that exhibits an interference pattern when observed with a polarizing microscope in a crossed Nicols state.
以下の条件[III]を満たす、請求項1に記載のプリプレグ。
[III]:構成要素[B]および[C]を含むエポキシ樹脂組成物の硬化物が、広角X線回折によって、確認される回折角度2θ=1.0°~6.0°に由来する高次構造を有する。
The prepreg according to claim 1, which satisfies the following condition [III].
[III]: The cured product of the epoxy resin composition containing the components [B] and [C] has a high degree of It has the following structure.
以下の条件[IV]を満たす、請求項1または2に記載のプリプレグ。
[IV]:構成要素[B]および[C]を含むエポキシ樹脂組成物の硬化物が、窒素雰囲気下での示差走査熱量分析において昇温速度を5℃/分として50℃から400℃まで昇温した際に250℃以上の範囲に高次構造の相転移に由来した吸熱ピークを有する。
The prepreg according to claim 1 or 2, which satisfies the following condition [IV].
[IV]: The cured product of the epoxy resin composition containing the components [B] and [C] was raised from 50°C to 400°C at a temperature elevation rate of 5°C/min in differential scanning calorimetry under a nitrogen atmosphere. When heated, it has an endothermic peak in the range of 250° C. or higher, which is derived from the phase transition of the higher-order structure.
構成要素[B]が、一般式(2)で示される構造を有するエポキシ樹脂を含む、請求項1~3のいずれかに記載のプリプレグ。
Figure 0007287171000015
(一般式(2)中Q、Q、Qはそれぞれ群(III)より選択される1種の構造を含む。一般式(2)中のR、Rはそれぞれ炭素数1~6のアルキレン基を示す。群(III)中のZは各々独立に、炭素数1~8の脂肪族炭化水素基、炭素数1~8の脂肪族アルコキシ基、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子、シアノ基、ニトロ基、又はアセチル基を示す。nは各々独立に0~4の整数を示す。一般式(2)および群(III)中のY、Y、Yは、単結合もしくは群(IV)から1つ選択される。)
Figure 0007287171000016
Figure 0007287171000017
The prepreg according to any one of claims 1 to 3, wherein the component [B] contains an epoxy resin having a structure represented by general formula (2).
Figure 0007287171000015
(Q 1 , Q 2 and Q 3 in general formula (2) each contain one structure selected from group (III). R 1 and R 2 in general formula (2) each have 1 to 1 carbon atoms. 6. Each Z in group (III) is independently an aliphatic hydrocarbon group having 1 to 8 carbon atoms, an aliphatic alkoxy group having 1 to 8 carbon atoms, a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom , an iodine atom, a cyano group, a nitro group or an acetyl group, n is each independently an integer of 0 to 4. Y 1 , Y 2 and Y 3 in general formula (2) and group (III) are , a single bond or one selected from Group (IV).)
Figure 0007287171000016
Figure 0007287171000017
構成要素[B]が、一般式(2)で示される構造を有するエポキシ樹脂の一部がプレポリマー化したエポキシ樹脂を含む、請求項1~4のいずれかに記載のプリプレグ。 The prepreg according to any one of claims 1 to 4, wherein the constituent element [B] contains an epoxy resin in which a part of the epoxy resin having the structure represented by general formula (2) is prepolymerized. 構成要素[C]が、ジアミノフェニルベンゾエイト、ジアミノベンズアニリド、ジアミノベンジリデンアニリン、ジアミノジフェニルアセチレン、ジアミノビフェニルの中から選ばれる、請求項1~のいずれかに記載のプリプレグ。 The prepreg according to any one of claims 1 to 5 , wherein the component [C] is selected from diaminophenylbenzoate, diaminobenzanilide, diaminobenzylideneaniline, diaminodiphenylacetylene and diaminobiphenyl. 構成要素[A]は、アセトニトリルとクロロホルムを体積比9対1で混合した溶液で洗浄した後に炭素繊維に残留するサイジング剤付着量が0.08質量%以上であり、
構成要素[B]が、単体では液晶性を示さないエポキシ樹脂を構成要素[B]全体100質量部に対して1~25質量部含む、請求項1~のいずれかに記載のプリプレグ。
Component [A] has a sizing agent adhesion amount remaining on the carbon fiber after washing with a solution in which acetonitrile and chloroform are mixed at a volume ratio of 9:1 is 0.08% by mass or more,
7. The prepreg according to any one of claims 1 to 6 , wherein the component [B] contains 1 to 25 parts by mass of an epoxy resin that does not exhibit liquid crystallinity by itself with respect to 100 parts by mass of the entire component [B].
構成要素[B]が、単体では液晶性を示さないエポキシ樹脂を構成要素[B]全体100質量部に対して3~25質量部含む、請求項7に記載のプリプレグ。8. The prepreg according to claim 7, wherein the component [B] contains 3 to 25 parts by mass of an epoxy resin that does not exhibit liquid crystallinity by itself with respect to 100 parts by mass of the entire component [B]. 構成要素[A]は、アセトニトリルとクロロホルムを体積比9対1で混合した溶液で洗浄した後に炭素繊維に残留するサイジング剤付着量が0.14~0.30質量%以上である、請求項1~8のいずれかに記載のプリプレグ。Claim 1, wherein the constituent element [A] has a sizing agent adhesion amount remaining on the carbon fiber after washing with a solution in which acetonitrile and chloroform are mixed at a volume ratio of 9:1 is 0.14 to 0.30% by mass or more. 9. The prepreg according to any one of 1 to 8. 請求項1~9のいずれかに記載のプリプレグが硬化されてなる炭素繊維強化複合材料。 A carbon fiber reinforced composite material obtained by curing the prepreg according to any one of claims 1 to 9.
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