JP7312548B2 - 熱可塑性樹脂プリプレグおよび複合材料 - Google Patents
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Description
本発明は、また、該熱可塑性樹脂プリプレグから成形されてなる複合材料に関する。
本発明は、また、該複合材料を含む航空宇宙用または自動車用の部材に関する。
本発明において使用される液晶ポリマーは、好適には、異方性溶融相を形成するものであり、当業者にサーモトロピック液晶ポリマーと呼ばれるものであれば、特に限定されない。
2)4-ヒドロキシ安息香酸/テレフタル酸/4,4’-ジヒドロキシビフェニル共重合体
3)4-ヒドロキシ安息香酸/テレフタル酸/イソフタル酸/4,4’-ジヒドロキシビフェニル/ハイドロキノン共重合体
4)4-ヒドロキシ安息香酸/テレフタル酸/ハイドロキノン共重合体
5)6-ヒドロキシ-2-ナフトエ酸/テレフタル酸/ハイドロキノン共重合体
7)6-ヒドロキシ-2-ナフトエ酸/テレフタル酸/4,4’-ジヒドロキシビフェニル共重合体
8)4-ヒドロキシ安息香酸/6-ヒドロキシ-2-ナフトエ酸/テレフタル酸/ハイドロキノン共重合体
9)4-ヒドロキシ安息香酸/6-ヒドロキシ-2-ナフトエ酸/テレフタル酸/ハイドロキノン/4,4’-ジヒドロキシビフェニル共重合体
10)4-ヒドロキシ安息香酸/2,6-ナフタレンジカルボン酸/4,4’-ジヒドロキシビフェニル共重合体
12)4-ヒドロキシ安息香酸/2,6-ナフタレンジカルボン酸/ハイドロキノン共重合体
13)4-ヒドロキシ安息香酸/6-ヒドロキシ-2-ナフトエ酸/2,6-ナフタレンジカルボン酸/ハイドロキノン共重合体
14)4-ヒドロキシ安息香酸/テレフタル酸/2,6-ナフタレンジカルボン酸/ハイドロキノン/4,4’-ジヒドロキシビフェニル共重合体
15)4-ヒドロキシ安息香酸/テレフタル酸/4-アミノフェノール共重合体
17)4-ヒドロキシ安息香酸/6-ヒドロキシ-2-ナフトエ酸/テレフタル酸/4-アミノフェノール共重合体
18)4-ヒドロキシ安息香酸/テレフタル酸/4,4’-ジヒドロキシビフェニル/4-アミノフェノール共重合体
19)4-ヒドロキシ安息香酸/テレフタル酸/エチレングリコール共重合体
20)4-ヒドロキシ安息香酸/テレフタル酸/4,4’-ジヒドロキシビフェニル/エチレングリコール共重合体
22)4-ヒドロキシ安息香酸/6-ヒドロキシ-2-ナフトエ酸/テレフタル酸/4,4’-ジヒドロキシビフェニル/エチレングリコール共重合体
23)4-ヒドロキシ安息香酸/テレフタル酸/2,6-ナフタレンジカルボン酸/4,4’-ジヒドロキシビフェニル共重合体。
溶融粘度がこの範囲にあると、E/τが4.5より大きい特性を有する熱可塑性樹脂プリプレグを得ることができる。つまり、大変形時の層間剥離が生じ難い熱可塑性樹脂プリプレグ、複合材料および部材を得ることができる。
溶融粘度は、0.7mmφ×10mmのキャピラリーを用いて、せん断速度1,000s-1の条件下で測定することができる。
せん断速度1,000s-1の条件下で測定される液晶ポリマーの溶融粘度は、好ましくは20~45Pa・s、より好ましくは24~39Pa・sである。
液晶ポリマーの溶融粘度が18Pa・sを下回ると、得られる熱可塑性樹脂プリプレグ、複合材料および部材に、大変形時の層間剥離が生じやすくなる。また、18Pa・sを下回ると、重量平均分子量が小さくなり、高い成形温度でのガス化によりボイドが発生しやすくなる。溶融粘度が50Pa・sを上回ると、熱可塑性樹脂プリプレグ中のエア等が抜け難くなり、ボイドが発生しやすくなる。なお、ボイドが発生すると、機械特性が低下する。
液晶ポリマーの結晶融解温度が160℃を下回ると、耐熱性が低くなるため複合材料の用途が制限される傾向があり、315℃を上回ると、高温での成形が必要になるため、設備やエネルギーの点でコスト高となる。
本発明に使用する液晶ポリマーは、その重量平均分子量が100,000~300,000の範囲にあるものが好ましく、120,000~280,000の範囲にあるものがより好ましく、140,000~270,000の範囲にあるのがさらに好ましく、160,000~260,000の範囲にあるのが特に好ましい。重量平均分子量が100,000未満の場合、得られるプリプレグの機械特性が十分に発現し難い傾向がある。
なお、本発明における重量平均分子量とは、ゲル浸透クロマトグラフ(GPC)によって測定された値である。測定においては、溶媒としてペンタフルオロフェノール/クロロホルムの混合溶媒を用い、測定温度23℃、示差屈曲計で検出した。分子量値はポリスチレン換算分子量として求めた。
本発明に使用する液晶ポリマーの製造方法に特に制限はなく、前記の単量体の組合せからなる単量体成分間にエステル結合などを形成させる公知の重縮合方法、例えば溶融アシドリシス法、スラリー重合法などを使用することができる。
本発明に使用する強化繊維束としては、炭素繊維束、ガラス繊維束、アラミド繊維束など挙げられるが、これらの中でも得られるプリプレグの機械特性や軽量化に優れる点で炭素繊維束が好ましい。
本発明に好適に使用する炭素繊維束としては、PAN系、ピッチ系、レーヨン系、リグニン系などの原料からなる炭素繊維束が挙げられ、特にPAN系が好ましい。
使用する形態としては、織布(例えば、平織、斜文織、朱子織などであり、織物材とも呼ばれる)、不織布または一方向に引き揃えられたロービング(UD材とも呼ばれる)などが挙げられ、機械的特性を考慮すると、織物やUDが好ましい。
通常、炭素繊維束は、炭素化工程後に電解酸化処理や気相酸化処理などの表面処理がなされ、その後、エポキシ系化合物、アミド系化合物またはウレタン系化合物などのサイジング剤によって被覆処理が施されたものが使用されている。
しかし、サイジング剤で被覆された炭素繊維束は、液晶ポリマーを含浸させる際、サイジング剤によって液晶ポリマーの含浸が阻害されることがあり、その結果、得られる熱可塑性樹脂プリプレグ、複合材料および部材において機械特性が不足することがある。
サイジング剤によって被覆されていない、つまりサイジング剤の付着量が0%の炭素繊維束とは、サイジング剤で被覆された炭素繊維束からサイジング剤を除去したものも含む他、炭素繊維束の製造工程でサイジング剤を被覆(付着)する工程を省いて製造された炭素繊維束も含む。
本発明の熱可塑性樹脂プリプレグは、上述した液晶ポリマーおよび強化繊維束を少なくとも含有する。
なお、強化繊維束を利用して織物構造の織物材の片側または両側に液晶ポリマーフィルムを配置してもよいし、一方向に引き揃えられたUD材と織物構造の織物材とを重ね、これらの間、重ねたものの全体の片側または両側に液晶ポリマーフィルムを配置してもよい。
なお、強化繊維束と液晶ポリマーフィルムとを積層したものを熱可塑性樹脂プリプレグとしてもよいし、強化繊維束と液晶ポリマーフィルムとを重ねたものを複数枚積層したものを熱可塑性樹脂プリプレグとしてもよい。
熱可塑性樹脂プリプレグ、複合材料および部材の機械特性、樹脂の含浸性、繊維の均一性等を考慮すると、複数枚積層したものが好ましい。
E/τが4.5以下であると、大変形時に層間剥離が生じるおそれがある。なお、通常、E/τの上限値は100である。なお、E/τが4.5より大きい熱可塑性樹脂プリプレグを用いた複合材料および部材も、同様に、大変形時に層間剥離を生じ難くすることができる。
全界面せん断エネルギーEが80以下の場合、強化繊維が液晶ポリマーから引抜方向に剥がれた後の引抜方向の抵抗力が小さくなり、複合材料や部材の機械特性、特に靭性が弱くなるおそれがある。なお、全界面せん断エネルギーEの上限は2,000以下である。
界面せん断強度τが12以下の場合、強化繊維が液晶ポリマーから引き抜かれやすく、複合材料や部材の機械特性が劣るおそれがある。なお、界面せん断強度τの上限は50以下である。
本明細書および特許請求の範囲において、「全界面せん断エネルギー(E)」とは、新創舎製ピンホール式単繊維・樹脂界面せん断強度試験機にて後述の条件下で測定し算出したものである。
本発明の複合材料は、上記の熱可塑性樹脂プリプレグを複数枚積層し、オートクレーブ成形、スタンピング成形(プレス成形)などの公知の成形手段によって、製造される。
実施例において、結晶融解温度、溶融粘度、重量平均分子量、全界面せん断エネルギー、界面せん断強度、引張強度、引張弾性率、曲げ強度、曲げ弾性率、炭素繊維束の含有量、複合材料中の層間剥離の有無およびボイドの程度は、以下に記載の方法で測定した。
示差走査熱量計としてセイコーインスツルメンツ(株)製Exstar6000を用い、室温から20℃/分の昇温条件で測定した際に観測される吸熱ピーク温度(Tm1)の観測後、Tm1より20~50℃高い温度で10分間保持した。次に、20℃/分の降温条件で室温まで試料を冷却し、その際に観測される発熱ピークのピークトップの温度を液晶ポリマーの結晶化温度(Tc)とし、さらに、再度20℃/分の昇温条件で測定した際の吸熱ピークを観測し、そのピークトップを示す温度を液晶ポリマーの結晶融解温度(Tm)とした。
溶融粘度測定装置(東洋精機(株)製キャピログラフ1D)により、0.7mmφ×10mmのキャピラリーを用いて、以下の条件で溶融粘度を測定した。
せん断速度1,000sec-1の条件下、LCP-1~LCP-3の測定温度は320℃であり、LCP-4の測定温度は360℃である。
ゲル浸透クロマトグラフ(GPC)により、溶媒としてペンタフルオロフェノール/クロロホルムの混合溶媒を用い、測定温度23度、示差屈曲計で検出し、ポリスチレン換算分子量として求めた。
新創舎製ピンホール式単繊維・樹脂界面せん断強度試験機にて以下の条件で測定し算出したものである。
より具体的には、試験機により計測された荷重と変位の関係から、荷重-変位線図を作成し、その全積分値を全界面せん断エネルギーとする。
(条件)
・繊維埋込み深さ:80μm
・引抜速度 :0.03mm/min
・埋込み温度
310℃:LCP-1、LCP-2、LCP-3
330℃:LCP-4
新創舎製ピンホール式単繊維・樹脂界面せん断強度試験機にて上記の条件で測定し、下記の式により算出したものである。なお、ここでは、界面せん断強度τは平均値としている(n=20)
τ=F/(π×d×L)
ここで、
F:試験機により計測された荷重F
L:試験機により計算された埋込み長さ
d:繊維径
長さ250.0mm、幅12.0mm、厚さ1.0mmの短冊状試験片について、ASTM D638に準拠して測定した。
長さ150.0mm、幅15.0mm、厚さ2.0mmの短冊状試験片について、ASTM D790に準拠して測定した。
熱可塑性樹脂プリプレグについて、JIS K7075に準じ、バーナーを用いて液晶ポリマーを除去し、炭素繊維束の含有量(質量部)を測定した。
曲げ強度および曲げ弾性率の測定後の試験片の破断部位について、TD方向から目視で観察し、層間剥離が観察された場合は「あり」、観察されなかった場合は「なし」とした。
曲げ強度および曲げ弾性率の測定に用いた試験片について、MDおよびTD方向に10.0mm角に切断し、エポキシ樹脂に包埋し硬化させた。得られた試験片を研磨して、MDおよびTD断面方向にそれぞれ炭素繊維束を露出させた後、キーエンス(株)製VHX-5000を用いて、倍率100倍にて断面を観察した。
観察範囲にて、ボイドが確認されなければ○、ボイドが1~10箇所であれば△、ボイドが11箇所以上であれば×とした。
LCP:液晶ポリマー
POB:4-ヒドロキシ安息香酸
BON6:6-ヒドロキシ-2-ナフトエ酸
HQ:ハイドロキノン
BP:4,4’-ジヒドロキシビフェニル
TPA:テレフタル酸
IPA:イソフタル酸
CF:炭素繊維束
炭素繊維束として、PAN系炭素繊維束(帝人(株)製、HTS40、単繊維本数12,000、エポキシ系化合物サイジング処理)から、予めアセトン洗浄によりサイジング剤を除去したものを使用した。
[合成例1(LCP-1)]
トルクメーター付き攪拌装置および留出管を備えた反応容器に、POB:655.4g(73モル%)およびBON6:330.2g(27モル%)を仕込み、さらに全単量体の水酸基量(モル)に対して1.03倍モルの無水酢酸を仕込み、次の条件で脱酢酸重合を行った。
重合終了時のトルク値を変更した以外は合成例1と同様に重合し、LCPペレットを得た。得られたLCPペレットの結晶融解温度(Tm)は280℃、重量平均分子量は240,000、溶融粘度34Pa・sであった。
重合終了時のトルク値を変更した以外は合成例1と同様に重合し、LCPペレットを得た。得られたLCPペレットの結晶融解温度(Tm)は280℃、重量平均分子量は265,000、溶融粘度40Pa・sであった。
トルクメーター付き攪拌装置および留出管を備えた反応容器に、POB:538.7g(60モル%)、BP:242.1g(20モル%)、TPA:162.0g(15モル%)およびIPA:54.0g(5モル%)を仕込み、さらに全単量体の水酸基量(モル)に対して1.03倍モルの無水酢酸を仕込み、次の条件で脱酢酸重合を行った。
各実施例および比較例で使用したLCPの結晶融解温度、溶融粘度、重量平均分子量、ならびに炭素繊維束のサイズ付着量を表1に示す。
LCP-1を、単軸押出機を用いて設定温度300℃でTダイから押出して、厚さ50μmの液晶ポリマーフィルムを得た。
LCP-2から実施例1と同様にして液晶ポリマーフィルムを得た。
この液晶ポリマーフィルムと一方向に引き揃えて連続供給した炭素繊維束とから、実施例1と同様にして熱可塑性樹脂プリプレグを得た。使用した炭素繊維束のサイジング剤の付着量は0.1%であり、熱可塑性樹脂プリプレグにおける炭素繊維束の含有量は、実施例1と同じであった。
このプリプレグを用いて、実施例1と同様にして複合材料を作製した。この複合材料について、各試験の測定結果を表2に示す。
LCP-2から実施例1と同様にして液晶ポリマーフィルムを得た。
この液晶ポリマーフィルムと一方向に引き揃えて連続供給した炭素繊維束とから、実施例1と同様にして熱可塑性樹脂プリプレグを得た。使用した炭素繊維束のサイジング剤の付着量は0.5%であり、熱可塑性樹脂プリプレグにおける炭素繊維束の含有量は、実施例1と同じであった。
このプリプレグを用いて、実施例1と同様にして複合材料を作製した。この複合材料について、各試験の測定結果を表2に示す。
LCP-2から実施例1と同様にして液晶ポリマーフィルムを得た。
この液晶ポリマーフィルムと一方向に引き揃えて連続供給した炭素繊維束とから、実施例1と同様にして熱可塑性樹脂プリプレグを得た。使用した炭素繊維束のサイジング剤の付着量は0%であり、熱可塑性樹脂プリプレグにおける炭素繊維束の含有量は、実施例1と同じであった。
このプリプレグを用いて、実施例1と同様にして複合材料を作製した。この複合材料について、各試験の測定結果を表2に示す。
LCP-3から実施例1と同様にして液晶ポリマーフィルムを得た。
この液晶ポリマーフィルムと一方向に引き揃えて連続供給した炭素繊維束とから、実施例1と同様にして熱可塑性樹脂プリプレグを得た。使用した炭素繊維束のサイジング剤の付着量は0.1%であり、熱可塑性樹脂プリプレグにおける炭素繊維束の含有量は、実施例1と同じであった。
このプリプレグを用いて、実施例1と同様にして複合材料を作製した。この複合材料について、各試験の測定結果を表2に示す。
LCP-4を、単軸押出機を用いて設定温度340℃でTダイから押出して、厚さ50μmの液晶ポリマーフィルムを得た。
この液晶ポリマーフィルムと一方向に引き揃えて連続供給した炭素繊維束とから、実施例1と同様にして熱可塑性樹脂プリプレグを得た。使用した炭素繊維束のサイジング剤の付着量は0.1%であり、熱可塑性樹脂プリプレグにおける炭素繊維束の含有量は、実施例1と同じであった。
このプリプレグを用いて、実施例1と同様にして複合材料を作製した。この複合材料について、各試験の測定結果を表2に示す。
LCP-1、LCP-2およびLCP-3を使用して得られた実施例1~実施例5の複合材料は、いずれも層間剥離は確認されなかった。
LCP-1およびLCP-2を使用して得られた実施例1~実施例4の複合材料は、ボイドの程度も良好であった。
LCP-1およびLCP-2を使用して得られた実施例1~実施例4の複合材料は、曲げ強度、曲げ弾性率、引張強度および引張弾性率などの機械特性に優れるものであった。
一方、LCP-4を使用して得られた比較例1の複合材料は、層間剥離の発生が確認され、またボイドの程度に劣るものであった。
Claims (7)
- せん断速度1,000s-1の条件下で測定した結晶融解温度+40℃における液晶ポリマーの溶融粘度が18~50Pa・sである
請求項1に記載の熱可塑性樹脂プリプレグ。 - 液晶ポリマーが、式(I)および(II)で表される繰返し単位から構成される全芳香族液晶ポリエステルである
請求項1に記載の熱可塑性樹脂プリプレグ。 - 液晶ポリマーの結晶融解温度が315℃以下である
請求項1~3のいずれかに記載の熱可塑性樹脂プリプレグ。 - 液晶ポリマー100質量部に対して、強化繊維束5~300質量部を含有する
請求項1~4のいずれかに記載の熱可塑性樹脂プリプレグ。 - 請求項1~5のいずれかに記載の熱可塑性樹脂プリプレグから成形されてなる複合材料。
- 請求項6に記載の複合材料を含む航空宇宙用または自動車用の部材。
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