JPH0195150A - エポキシ樹脂組成物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、主に炭素繊維複合材料用エポキシ樹脂組成物
に関する。

〔従来の技術〕

炭素繊維複合材料用樹脂組成物としては、その機械的特
性に優れていること、硬化時の揮発分がないこと、硬化
時の収縮が小さいこと、炭素繊維との接着性に優れてい
ること等の理由から広くエポキシ樹脂組成物が用いられ
てきた（例えば特公昭５８−４０９７５号、特開昭６２
−５７４１６号各公報参照）。これらはいずれも一方向
積層材００°方向曲げ強度（繊維容積含有率６０％換算
）は１９０　ｋｇ　／　ｍｍ２程度であり、また層間剪
断強度は１０　ｋｇ／　ｍｍ２程度であった。

一方層間剪断強度の高い組成物としては、例えば特公昭
６２−１５５７０号公報に記載のＮ、Ｎ−ジグリシジル
アミノフェニルグリシジルエーテル及び／又はＮ、Ｎ−
ジグリシジルアニリンから成るエポキシ樹脂とジアミノ
ジフェニルスルホンとを主成分とするエポキシ樹脂組成
物が挙げられる。この組成物では層間剪断強度最高値１
２．８ｋｇ／１ｎ１Ｌ２が得られているが、０°曲げ強
度は最高値でも１９２ｋｇ／ｍｍ”であった。しかもこ
の組成物は硬化温度が１７０℃と高（、更に１９０℃と
いう高温で後処理する必要があり汎用性に欠けていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明者らは以上の現状に鑑み好ましくは１５０℃以下
の硬化温度で、しかも０°曲げ強度２００　ｋｇ／　ｍ
ｘ”以上、層間剪断強度１０　ｋｇ／　ｍｘ”以上とな
る樹脂組成物を得るため研究を進めた結果、本発明に到
達した。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、ｍ−又は０−メチル−ｐ　−Ｎ、Ｎ　−ジグ
リシジルアミノフェニルグリシジルエーテル又はそのオ
リゴマー（１）を２０〜１００重量％の割合で含有する
エポキシ化合物、及びジアミノジフェニルスルホン（Ｉ
Ｉ）を全エポキシ化合物に対して当量の５０〜１５０％
含有することを特徴とする、炭素繊維複合材料用エポキ
シ樹脂組成物である。

本発明のエポキシ樹脂組成物を用いた炭素繊維複合材料
は、１７０℃の硬化温度で容易に０゜曲げ強度２００　
ｋｇ／ｒｎｔｘ”以上、層間剪断強度１０ｋｇ／關２以
上を達成する。

本発明のエポキシ樹脂組成物は、一般式で表わされるヒ
ドロキシアセトアニリド（ＩＩＩ）と−般式 （式中又は水素原子、塩素原子又は臭素原子を示す）で
表わされる（ハロゲン化）フェニルグリシジルエーテル
ＧＶ）の反応生成物（以下反応物Ａと呼ぶ）を含有して
いてもよい。反応物Ａを含有するエポキシ樹脂組成物を
用いると、１５０℃以下の硬化温度でも、前記の曲げ強
度及び層間剪断強度を容易に達成することができる。

本発明に用いられるエポキシ化合物の主成分である化合
物■は、ｍ−又はＯ−メチル−ｐ−アミノフェノールを
過剰のエピクロルヒドリンと水酸化リチウムの存在下に
反応させ、エポキシ基を開環付加したのち、未反応のエ
ピクロルヒドリンを除去し、水酸化ナトリウムにより脱
Ｈ（Ｉすることにより得られる（特公昭３７−１７９７
０号公報参照）。

エポキシ化合物中の化合物■の含有量が２０％未満では
、炭素繊維複合材料の曲げ強度及び層間剪断強度がそれ
ぞれ２００　ｋｌｉｌ　／　ｍｍ２．１０に９　／ＩＩ
　”未満となり、１７０℃の硬化性も悪くなる。

化合物Ｉと併用可能なエポキシ化合物としては、アミン
により硬化可能なものであればよく、例えば下記の化合
物が挙げられる。ビスフェノールＡ、ビスフェノールＦ
、ビスフェノールＳ等のビスフェノール化合物のグリシ
ジルエーテル、フェノール又はクレゾールノボラック樹
脂のグリシジルエーテル、ジアミノジフェニルメタンの
テトラグリシジル化合物、ｍ−もしくはＯ−アミンフェ
ノールあるいはトリフェニロールメタンのトリグリシジ
ルエーテル等の多官能エポキシ樹脂。これらのエポキシ
樹脂は三官能以上であることが特に好ましい。これらは
単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい
。さらに他の改質剤例えばポリアミド、ポリビニルホル
マール、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリエー
テルスルホン等ヲ混合してもよく、エポキシ樹脂又はそ
れら混合物中に含有されるエポキシ基の当量以下のアミ
ン、酸無水物などの化合物を反応させ、所望の粘度に調
整して用いることもできる。

本発明に用いられるジアミノジフェニルスルホン（ｎ）
としては、４．４’−ジアミノジフェニルスルホン又ハ
３，３′−ジアミノジフェニルスルホンあるいはこれら
の混合物が挙げられる。ジアミノジフェニルスルホン（
ＩＩ）の使用量は、エポキシ化合物又はエポキシ化合物
の混合物中の全エポキシ基量から理論的に計算されるエ
ポキシ当量に対して５０〜１５０％の範囲、好ましくは
５０〜１００％の範囲である。この量が５０％未満では
架橋密度が低くなり、この樹脂系を用いた炭素繊維複合
材料００°曲げ強度及び層間剪断強度が低下するおそれ
がある。また１５０％を越えると未反応のアミノ基量が
増加し、炭素繊維複合材料物性が同様に低下するおそれ
がある。ジアミノジフェニルスルホン（ｎ）は他の硬化
剤又は硬化促進剤と併用してもよい。例えば三弗化硼素
アミン錯体との併用が好ましい。

本発明に用いられる化合物■としてはｐ−ヒドロキシア
セ１アニリド、ｍ−ヒドロキシアセトアニリド等が挙げ
られる。化合物■としてはフェニルグリシジルエーテル
、ｐ−クロルフェニルグリシジルエーテル、ｐ−ブロモ
フェニルグリシジルエーテル等が挙げられる。

化合物■及び■を１：０．９〜１．１０モル比で用い、
１００〜２００℃で反応させると反応物Ａが得られる。

化合物■は一般に比較的大きな室温での蒸気圧を有する
ことがら、これを５０〜２００℃の高温で減圧下に留去
して反応物Ａを得ることが好ましい。

反応物Ａの添加量は、エポキシ化合物、ジアミノジフェ
ニルスルホン及び硬化促進剤の合計量に対して１００重
量％以下である。反応物への添加量が１００重量％より
多いと、炭素繊維複合材料の曲げ強度及び眉間剪断強度
が低下するおそれがある。

本発明の樹脂組成物は、マ）　ＩＪソックス脂として通
常は炭素繊維複合材料の製造に用いられる。炭素繊維と
しては、一方向忙配列されたテープ、シート状物の他、
マット状物、布状物など、どのような形態の炭素繊維で
もよい。また炭素繊維に代えてガラス繊維や他の有機繊
維などを用いることもでき、これらと炭素繊維を併用し
てもよい。

得られる炭素繊維複合材料は、通常は１８０℃以下、更
に樹脂組成物の構成により、１５０°Ｃ以下という低温
硬化でも、０°曲げ強度２゜Ｏｋｇ／ｉｍ２、層間剪断
強度１０　ｋｇ　／　ｍｘ２以上が達成できるが、さら
に１８０℃以上、あるいは１５０℃以上の温度で硬化し
てもよく、また適当な温度で後硬化してもよい。

本発明の樹脂組成物を用いると、炭素繊維複合材料の吸
水量が低く、また吸湿にょる００曲げ強度及び眉間剪断
強度の低下が少ないことも大きな特色である。

〔発明の効果〕

本発明のエポキシ樹脂組成物をマトリックス樹脂とする
炭素繊維複合材料は、００曲げ強度２００　ｋｇ／　關
２以上、層間剪断強度１０に９７ｍｔｎ”以上の物性を
有し、しかも１５０℃以下の低温硬化でも製造すること
ができる。この炭素繊維複合材料は、釣竿、ゴルフシャ
フト、テニスラケット等のスポーツ、レジャー用品の他
、自動車、航空機、ロケット等の部品材料として用いる
ことができる。

参考例１ ｍ−メチル−ｐ　　Ｎ　ｖ　Ｎ−ジグリシジルアミノブ
エエルグリシジルエーテル〔エポキシ化合物（１）〕の
合成 ｍ−メチル−ｐ−アミノフェノール５４．６９（０，４
４４モル）、エピクロルヒドリン３７０ｇ（４モル）、
９５％エチルアルコール８４ｇ、水酸化リチウム−水和
物０．６５９及び水６　ｍｌ　（フェノール水酸基を基
準にして３．７モル％）の混合物を、攪拌しながら室温
（２５℃）で１３７時間反応させた。この混合物を５５
〜６０’Ｃに加熱し、５０重量％水溶液の水酸化ナトリ
ウム６６．５　ｇ（１，６６モル）を加え３時間加熱し
た。

残留物の温度が６５℃になるまで減圧（３０ｍｍＨｇ）
蒸留を行って、水、アルコール及び過剰のエピクロルヒ
ドリンを除去した。残留物をベンゼンに溶解し、塩及び
過剰の水酸化ナトリウムを除くため、水洗を繰り返した
。洗浄後のベンゼン溶液を減圧（３０ｍｍＨｇ）蒸留し
、ベンゼンを除去した。得られる暗褐色液状エポキシ化
合物（１）のエポキシ当量は１ｏｓｇ／ｅｑであった。

参考例２ ０−メチル−ｐ　−Ｎ、Ｎ−ジグリシジルアミノフェニ
ルグリシジルエーテル〔エポキシ化合物（２）：１の合
成 出発原料として０−メチル−ｐ−アミンフェノールを用
い、その他は参考例１と同様にしてエポキシ化合物（２
）を得た。得られたエポキシ化合物（２）のエポキシ当
量は１０４ｇ／ｅｑであった。

参考例３ 反応物Ａの合成 化合物■としてｐ−ヒドロキシアセトアニリドを、化合
物■としてフェニルグリシジルエーテルを用い、１：１
．０５（モル比）で混合し、１６０℃で６０分間加熱し
て反応させた。反応物は室温で粘稠な液状物であるが、
これを１ｍｒｎＨｇ減圧下で１５０℃に加熱し、未反応
のフェニルグリシジルエーテルを除去し、反応物Ａを得
た。

反応物Ａの赤外吸収スペクトルを測定し、エポキシ基の
ないことを確認した。さらに、反応物Ａをクロロホルム
溶液として、ＧＰＣ（ゲル・パーミェーション・クロマ
トグラフ）を測定したところ、反応物Ａはｐ−ヒドロキ
シアセトアニリドとフェニルグリシジルエーテルの１：
１反応物以外に、さらに反応の進んだ高分子化合物を含
む反応混合物であった。以下の実施例においては、この
反応物Ａを用いた。

実施例１ 第１表に示す樹脂組成物をマトリックス樹脂として一方
向炭素繊維複合材料を成形し、得られた成形体の曲げ強
度及び層間剪断強度を測定した。その結果を表中に併せ
て示す。

表中の成形体は、下記の方法で作成した。エポキシ樹脂
、硬化剤及び反応物Ａを表中の割合で、６０〜７０℃の
温度で均一混合し、マトリックス用の樹脂組成物とする
。この樹脂組成物を加熱し、離型紙上に薄膜を形成させ
、いわゆるホットメルトフィルムを作成し、このフィル
ムをドラムに巻き付け、炭素繊維（パイロフィルＴ−１
、三菱レイヨン社製）を加熱、含浸してプリプレグを作
成した。得られたプリプレグを積層し、成形後の炭素繊
維の含有量が６０体積パーセントになるように調整した
のち、金型に仕込み、所定温度に加熱された熱プレスで
一定時間加熱硬化して成形体を作成した。　　−表中の
炭素繊維複合材料の物性測定方法は下記のとおりである
。

（１）層間剪断強度 長さ１５＋＋＋ｘ、幅１０１＊　ｓ厚さ２龍の板状試験
片を用い、スパン間隔８龍の支点（先端半径３゜２　ｍ
ｍ　）においた試験片の中央を先端半径３．２　ｒｎｒ
ｎの圧子で押さえて３点曲げ試験を行い、クロスヘツド
速度は２　ｚｘ　７分とした。次式により眉間剪断強度
を計算した。なおスパン間隔をＬ（ｍｍ）、試料厚さを
Ｔ（ｍ）、試料中をＷ（ａｍ）、破断荷重をｐ（ｋｇ）
とした。

層間剪断強度”　３　Ｐ　／　４　ＷＴ　（ｋｇ／ｍｍ
２）（２）曲げ強度 験 長さ１００龍、幅１（１＋ｍｑ厚さ２間の板状状。

片を用いて、スパン間隔８０龍とし、その他は層間剪断
強度と同様にして試験を行い、次式により曲げ強度を計
算した。

曲げ強度＝　ｓ　Ｐ　Ｌ　／２　Ｗ　Ｔ”　（ｋｇ／ｍ
ｍ２）これより本発明の樹脂組成物をマトリックス樹脂
として用いると、炭素繊維複合材料の曲げ強度２００に
シー以上、かつ層間剪断強度１０ｋｆ廓２が容易に実現
できることが知られる。これに反して比較例で示した樹
脂組成物の場合、硬化温度を１８０℃と高くしても十分
な物性が得られない。また硬化温度を下げた場合、硬化
しない樹脂組成物もみられた。

実施例２ エポキシ化合物（１）を用い、４，４′−ジアミノジフ
ェニルスルホン及び反応物（Ａ）の添加量を変えてエポ
キシ樹脂組成物を調製し、その他は実施例１と同様にし
て１４０℃で２時間加熱し、炭素繊維複合材料を得た。

成形品の曲げ強度及び層間剪断強度の測定結果を第２及
び３表に示す。

＄１：エボキシ化合物（１）のエポキシ当量から理論的
に算出される４、４′−ジアミノジフェニルスルホンの
当量を１００にした場合の添加量 中２：全エポキシ樹脂組成物に対する添加重量第３表 中１：エポキシ化合物（１）のエポキシ当量から算出さ
れる当量の４，４′−ジアミノジフェニルスルホンを使
用 中２：全エポキシ樹脂組成物に対する添加重量％ 実施例６ エポキシ化合物（１）及びその他のエポキシ化合物を第
４表の割合で混合したものを用い、これに４，４′−ジ
アミノジフェニルスルホン及び反応物（Ａ）を組み合わ
せた樹脂組成物を用いて、実施例１と同様にして炭素繊
維複合材料を作成し、０°曲げ強度及び眉間剪断強度を
測定した。その結果を併せて第４表に示す。

これより明らかなように、エポキシ化合物組成により、
炭素繊維複合材料物性は変化するが、本発明の樹脂組成
物を用いると、０°曲げ強度、眉間剪断強度とも高い値
を有している。これに反し、本発明外の樹脂組成物を用
いると硬化温度が高いにもかかわらず、炭素繊維複合材
料、００曲げ強度、眉間剪断強度とも低いことが明らか
である。

実施例４ 実施例１で成形した炭素繊維複合材料を、５０℃の温水
中に２４時間浸漬し吸湿させたのち、実施例１と同様に
して、０°曲げ強度及び眉間剪断強度を測定した。樹脂
組成及び炭素繊維複合材料の物性測定結果を第５表に示
す。

これより明らかなように本発明の樹脂組成物を用いた炭
素繊維複合材料は吸水率も低く、それに伴なう曲げ強度
及び眉間剪断強度の低下も少なく、吸水後でも曲げ強度
２００　ｋｌｉ’／ｒｔｒｘ”以上、層間剪断強度１０
ｋｇ／＋ｏｔ”以上を維持している。

これに反し他の樹脂系を用いた場合、吸水率が高く、し
かも炭素繊維複合材料の曲げ強度、層間剪断強度とも著
しく低下している。

実施例５ ０−メチル−ｐ−アミノフェノールヲ原料トしたエポキ
シ化合物２を用いて実施例１と同様にして炭素繊維複合
材料を成形し、００曲げ強度及び層間剪断強度を測定し
た。また同じ成形品を実施例４と同様に５０°Ｃの温水
に２４時間浸漬して吸湿させ、物性測定を実施した。そ
の結果を併せて第６表に示す。

これより化合物（Ｉ）のエポキシ樹脂として。−メチル
置換体であるエポキシ化合物（２）を用いても、ローメ
チル置換体エポキシ化合物（１）と同様に炭素繊維複合
材料は００曲げ強度２００　ｋｌｉ’／ｍｍ２以上、眉
間剪断強度１０　ｋｇ／　ｍｍ２以上を有し、また抜水
後の物性保持も良好であることが知られる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ｍ−又はｏ−メチル−ｐ−Ｎ，Ｎ−ジグリシジルア
   ミノフェニルグリシジルエーテル又はそのオリゴマー（
   I ）を２０〜１００重量％の割合で含有するエポキシ
   化合物、及びジアミノジフェニルスルホン（II）を全エ
   ポキシ化合物に対して当量の５０〜１５０％含有するこ
   とを特徴とする、炭素繊維複合材料用エポキシ樹脂組成
   物。 ２、一般式 ▲数式、化学式、表等があります▼ で表わされるヒドロキシアセトアニリド（III）と一般
   式 ▲数式、化学式、表等があります▼ （式中Ｘは水素原子、塩素原子又は臭素原子を示す）で
   表わされる（ハロゲン化）フェニルグリシジルエーテル
   （IV）の反応生成物を含有することを特徴とする、特許
   請求の範囲第１項に記載のエポキシ樹脂組成物。