JPH0381342A - プリプレグ製造法 - 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、耐熱耐湿性、靭性等に優れた複合材料を与え
るプリプレグ製造法に係り、さらに詳しくは非繊維方向
特性に優れた複合材料を与えるプリプレグ製造法に閃す
る。

〔従来の技術〕

ガラス繊維、炭素繊維、セラミック繊維等を強化繊維と
する強化プラスチックス（以下、ＦＲＰと略す）は、強
度や弾性率を比重で除した値で示される比強度や比弾性
率が従来の金属材料に比べて優れているため、特に軽量
化が要求される航空機関係の用途、あるいは釣竿、ゴル
フシャフト、テニスラケット等のスポーツ関係の用途を
中心に広゛く用いられている。

特に近年、シリコンカーバイド系のセラミック繊維が開
発され、従来の強化繊維にはないユニクな特性（耐熱性
、耐酸化性、絶縁性、高圧縮強度等）ゆえに、これらの
特性を生かした用途開発も期待されている。

周知のとおり、これらのＦＲＰは、異方性の強い材料で
あり、強化繊維の配向方向は非常に高い強度、弾性率を
示すが、非繊維方向のそれは著しく低く、複合材料の設
計を行う上で荷重方向に正確に強化繊維を配列させるこ
とが重要なポイントになっている。しかしながら、適切
な設計を行い、各方向に正確に繊維を配列させた複合材
料においても、例えば引張り応力がかかった場合、一般
に非繊維方向の破断伸度が繊維方向のそれより低いため
、複合材料中の荷重が非繊維方向となる部分で先にクラ
ックが生じ、そこから破壊が全体に及んでしまう。この
ため、いくら繊維強度を向上させても同時に非繊維方向
の特性が向上しない限り、繊維強度を十分に生かすこと
ができない。そして、この非繊維方向の特性は、主とし
て用いるマトリックス樹脂の特性や強化繊維とこのマト
リックス樹脂との界面の特性にその影響を受けている。

すなわち、マトリックス樹脂については十分な強度、破
断伸度、靭性が必要であるし、また、いくらこのような
樹脂の特性を向上させても、繊維と樹脂との間の界面の
接着力が十分でないとその特性が充分に発現しない。

特に、強化繊維としてセラミック繊維を使用する場合、
その繊維表面が滑らかであることとも関係して十分な界
面接着力が得られ難いという問題があゲた。

さらに、マトリックス樹脂が支配するコンポジット特性
の一つに耐熱耐湿性がある。これは、温度上昇あるいは
吸湿によりマトリックス樹脂の弾性率が低下し、主にコ
ンポジットの圧縮強度が低下することに起因する現象で
ある。そして近年、複合材料の用途範囲の拡大に伴って
、このような耐熱耐湿性の向上が強く求められるように
なってきた。そこで、マトリックス樹脂の耐熱耐湿性を
向上させる目的で、従来広く使用されてきたエポキシ樹
脂に代えてビスマレイミド系樹脂が用いられるようにな
ってきた。このビスマレイミド系樹脂は硬化時の揮発分
発生がなく、従来のエポキシ樹脂とほぼ同等の硬化条件
で成形可能であり、しかもホットメルト法によるプリプ
レグ化が可能である等、マトリックス樹脂として多くの
優れた点を有している。

しかしながら、このビスマレイミド系樹脂は、エポキシ
樹脂に比べてその靭性に乏しく、また、接着力が弱くて
コンポジットの非繊維方向の特性が劣るという欠点を有
していた。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、上述の如き従来のプリプレグが有する種々の
課題を解決しようとするものであり、その目的とすると
ころは、マトリックス樹脂の優れた耐熱耐湿性を維持し
ながら、得られるコンポジットの非繊維方向特性の向上
を可能とならしめるようなプリプレグの製造法を提供す
ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

すなわち、本発明は、強化繊維とマトリックス樹脂とか
らなるプリプレグを製造するに際し、少なくとも下記■
〜■の工程、 ■下記一般式〔ｌ〕で示されるビスマレイミド［１］下
記一般式〔２〕で示されるシアン酸エステル成分を主成
分とするマトリックス樹脂組成物を得る工程、 〔但し、式中Ｒは２価以上の芳香族残基を示し、Ｘｌ及
びＸ２は水素、アルキル基、フェニル基又はハロゲンの
いずれかを示し、ｎは２〜６の整数である〕 Ｒ−＋Ｏ−ＣミＮ）、　　　　　　　　　　　　（２）
１〔但し、式中Ｒは芳香族残基を示し、ｍは２〜６の整
数である〕 ■上記マトリックス樹脂組成物を加熱して離型紙上に薄
く塗布する工程、 ■強化繊維の表面にアミノシラン系カップリング剤を塗
布する工程、 ■上記のマトリックス樹脂組成物を塗布した離型紙上に
上記のアミノシラン系カップリング剤を塗布し、た強化
繊維を引き揃える工程、■上記工程■で得られたシート
を加熱ロールで加圧し、強化繊維中に樹脂を含浸させて
プリプレグを得る工程、 を有するプリプレグ製造法である。

以下、本発明の詳細な説明する。

先ず、本発明の製造法において、使用されるマトリック
ス樹脂組成物は、その主成分として一般式〔ｌ〕で示さ
れるビスマレイミド［１］一般式〔２〕で示されるシア
ン酸エステル成分を含有するものである。

このビスマレイミド成分は、下記一般式〔ｌ〕〔但し、
式中Ｒは２価以上の芳香族残基を示し、Ｘｌ及びＸ２は
水素、アルキル基、フェニル基又はハロゲンのいずれか
を示し、ｎは２〜６の整数である〕で表される化合物で
あり、一般に、分子内　に二個以上のアミノ基を有する
芳香族アミン類と無水マレイン酸との脱水環化反応によ
って容易に得ることができる。

このビスマレイミド成分を得る目的で使用される芳香族
アミン類としては、種々のものが使用可能であり、溶融
時の粘度調節や可撓性付与等のため、芳香族、脂環族又
は脂肪族の鎖により分子鎖を適当に延長したアミン類も
好ましい。好適な芳香族アミン類としては、ジアミノジ
フェニルメタン、ジアミノジフェニルスルホン、ジアミ
ノビフ工二ル、ジアミノジフェニルエーテル、ジアミノ
ジフェニルプロパン、アニリンのホルマリン縮合物等を
挙げることができるほか、さらに上述したマレイミド化
合物のプレポリマー生成物あるいはマレイミド化合物と
アミン類の反応生成物の形での使用も可能である。

これらのマレイミド化合物は固形状のものや液状であっ
ても粘度の高いものが多いため、ホットメルト法による
プリプレグ化を可能ならしめたり、あるいは、プリプレ
グに適度のタック、ドレープ性を付与せしめるために、
他の液状成分を加えるのも有効である。この目的で使用
される液状成分としては、耐熱性の低下が少ないという
観点からフェニルアリルエーテル、ジビニルベンゼン、
トリアリルイソシアヌル酸等が好適に用いられる。

また、本発明においては、上記ビスマレイミド成分の全
部若しくはその一部に代えて、下記の−般式〔２〕 Ｒ−＋ｏ−ｃ＝　Ｎ）ｆｆｉＣ２〕 〔但し、式中Ｒは芳香族残基を示し、ｍは２〜６の整数
である〕 で表されるシアン酸エステル成分を用いても同様の効果
が得られる。

このシアン酸エステル成分は、一般にポリフェノール化
合物とハロゲン化シアンとの反応で容易に得ることがで
きる。製造原料として好適なポリフェノール化合物を例
示すれば、レゾルシノール、ハイドロキノン、カテコー
ル、フロログルシノール、ビスフェノールＡ、ビフェノ
ール、ビスフェノールＦ、ビスフェノールスルホン、フ
ェノールノボラック等が挙げられる。これらのシアン酸
エステル成分を触媒の存在下で重合させることによりプ
レポリマーが得られる。

また、これらビスマレイミド成分とシアン酸エステル成
分の両者を併用して使用することもできる。

なお、この場合においても、プリプレグに適度のタック
、ドレープ性を付与せしめる目的で、フェニルアリルエ
ーテル、ジビニルベンゼン、トリアリルイソシアヌル酸
等の他の液状成分を用いることができる。

本発明で使用するマトリックス樹脂組成物は、上述のよ
うな基本となる樹脂に対し、他の樹脂成分、すなわちエ
ポキシ樹脂及び／又は熱可塑性樹脂を混合することがで
きる。

すなわち、取扱性、靭性、タック・ドレープ性、熱可塑
性樹脂の相溶性等を向上させる目的で、耐熱耐湿性を悪
化させない範囲でエポキシ樹脂を添加することは有効で
ある。この目的で使用されるエポキシ樹脂については、
特に制限はなく、−船釣なビスフェノール型エポキシ樹
脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾール
ノボラック型エポキシ樹脂、グリシジルアミン型エポキ
シ樹脂等が使用可能であるが、耐熱性及び使用目的の点
から、液状のビスフェノール型エポキシ樹脂やグリシジ
ルアミン型エポキシ樹脂が好適である。

このエポキシ樹脂の添加量は、ビスマレイミド成分等の
主成分樹脂に対し、重量比率（エポキシ樹脂：主成分樹
脂）が０：１０〜６：４、好ましくは０：１０〜４：６
の範囲内である。エポキシ樹脂の添加量がこの範囲より
多くなると耐熱性の低下が顕著となって好ましくない。

なお、緒特性を悪化させない範囲で硬化促進剤、難燃剤
、染料、フィラー等の各種添加剤の使用も可能である。

また、靭性を改良する目的で熱可塑性樹脂を添加し変性
することも好ましく適用される。この目的で添加゛され
る熱可塑性樹脂としては、耐熱耐湿性の悪化を防ぐため
に、それ自体がある程度の耐熱性を有するいわゆるエン
ジニアリングプラスチックが適しており、さらにベース
レンジとの相溶性を有する非品性のボッマーが好適であ
り、通常良く用いられる液状ゴム等は本発明においては
適さない。このような条件を満足する熱可塑性樹脂を例
示すると、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリ
アリルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリエステル、
ポリアミド等が挙げられる。これらの熱可塑性樹脂は、
熱溶融によって直接主成分樹脂とブレンドするか、予め
溶剤に溶かしたポリマー溶液を主成分樹脂に加えた後こ
の溶剤を留去する等の方法で樹脂組成物中に添加するこ
とができる。

このように主成分樹脂に熱可塑性樹脂を加えることによ
り、コンポジット成形時の樹脂の粘度が低くなりすぎる
のを防止することができ、これによって成形されたコン
ポジットの寸法精度を向上させることもできる。

熱可塑性樹脂の添加量は、主成分の樹脂組成物１００重
量部に対して５〜７０重量部、好ましくは５〜４０重量
部の範囲であり、添加量がこれより多くなると、プリプ
レグのタック性、耐熱耐湿性の悪、化が懸念され、また
、これより少ないとこの熱可塑性樹脂を添加する添加効
果の発現が見られない。

以上のようにして得られたマトリックス樹脂組成物は、
常法により離型紙の上に薄く塗布されてプリプレグの製
造のために備えられる。

次に、本発明で使用される強化繊維としては、一般にプ
リプレグ用として使用されるものであれば如何なる物で
も使用可能であるが、高性能なコンポジットを得る目的
から、好適な繊維として炭素繊維（特に樹脂と接着し難
いとされている黒鉛化の進んだ高弾性率繊維）、シリコ
ンカーバイド繊維あるいはシリコンカーバイド／チタン
／酸素系セラミック繊維が挙げられる。

また、この強化繊維の形態としては、特に制限はなく、
強化繊維の糸束、短繊維マット、あるいは織物等があり
、具体的には強化繊維の長繊維ストランドを同方向に引
き揃えた一方向プリプレグ、強化繊維の織物を使用した
クロスプリプレグ、短繊維マットを使用したマットプリ
プレグ、ストランドを直接加工したストランドプリプレ
グ等が挙げられる。

次に、常法により、上記のようにマトリックス樹脂を塗
布した離型紙の上にこのような強化繊維を引き揃えて樹
脂を含浸させるが、これに先立ち、本発明においては、
ビスマレイミド系の如く元来接着力の低い樹脂を主成分
樹脂としてプリプレグを製造するので、上記強化繊維と
の界面接着力を向上させるために、この強化繊維の表面
をアミノシラン系カップリング剤で表面処理する。この
表面処理により、ビスマレイミド系等の樹脂の持つ高耐
熱耐湿性を損なうことなく、コンポジットの９０°方向
特性を大幅に改善することができる。

この目的で使用するアミノシラン系カップリング剤とし
ては、特に限定されるものではないが、強化繊維と樹脂
との間のより優れた界面接着力を得る上で、好ましくは
下記一般式 ％式％ 〔但し、式中Ｘは加水分解性基を示し、Ａは窒素原子と
珪素原子とに結合しているアルキレン基を示し、Ｒは炭
素及び水素からなる有機基を示し、ｐは０または１以上
の整数を示す〕で表されるアミノシラン系カップリング
剤である。具体例を示すならば、γ−アミノプロピルト
リエトキシシラン、Ｎ−β−（アミノエチル）−γ−ア
ミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−フェニル−γ−
アミノプロピルトリメトキシシラン、Ｎ−β−（Ｎ−ビ
ニルベンジルアミノ）−エチル−γ−アミノプロピルト
リメトキシシラン等が挙げられる。

これらのアミノシラン系カップリング剤は、水溶液ある
いは蓚酸、酢酸等の酸性溶液として用いられる。

アミノシラン系カップリング剤の付着量は、カップリン
グ剤溶液の濃度、処理速度等によって変化するが、これ
らを調節することによって、繊維重量の０．１〜５重量
％、好ましくは０．１〜３重量％の範囲で用いるのがよ
い。０．１重量％より少ないとこのアミノシラン系カッ
プリング剤で表面処理する効果に乏しく、また、５重量
％より多くなると処理方法や繊維の取扱性の点で問題が
生じる。

このように表面処理された強化繊維を離型紙上に引き揃
えた後、加熱したロールで加圧し、強化繊維中に樹脂を
含浸せしめて、いわゆるホットメルト法によりプリプレ
グを得る。

ところで、−船釣なプリプレグの製造手段としては、上
記ホットメルト法の他に、樹脂を溶剤に溶かして樹脂溶
液を調製し、この樹脂溶液を強化繊維に含浸させた後、
溶剤を揮発させてプリプレグを得るウェット法がある。

この方法は簡単な設備で製造可能であるという利点があ
るが、樹脂含有率の精度が悪く、溶剤を揮発させる乾燥
工程で強化繊維の乱れが生じる等の欠点を有しているた
め、さほど高い品質が要求されないクロスやマットプリ
プレグには適用可能ではあるものの、高品質のプリプレ
グが要求される場合には適用し難く、本発明方法におい
ては採用し難い。

〔実施例〕 以下、実施例にて本発明を具体的に説明する。

実施例１ （１）マトリックス樹脂組成物の調製 液状ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（ダウケミカル日
本社製：　Ｄ、Ｅ、Ｒ３３２）　　１００重量部に対し
、ポリスルホン（アモコジャパン社製：　Ｐ−１７００
）４０重量部を加え、１５０°Ｃで１時間攪拌して均一
な樹脂組成物を得た。

次に、ジアミノジフェニルメタンのビスマレイミドとビ
スフェノールＡのシアン酸エステル樹脂の１：９の混合
物（三菱瓦斯化学社製：ＢＴレジンＢＴ−２１６０）　
　６０重量部に対して上記樹脂組成物４０重量部を配合
し、８０℃で３０分間混合し攪拌して目的のマトリック
ス樹脂組成物を得た。

（２）プリプレグの作成 上記（１）で得られたマトリックス樹脂組成物を１００
℃に加熱し、リバースコーターロールを使用して離型紙
上に塗布し、目付４６ｇ／ｒｒｆの樹脂フィルムを得た
。

この操作とは別に、強化繊維としてシリコンカーバイド
／チタン系セラミック繊維ストランド（宇部興産■社製
：チラノ繊維）を使用し、この強化繊維の表面処理を行
った。すなわち、先ず表面処理剤としてγ−アミノプロ
ピルトリエトキシシランの３ｗｔＸ−酢酸水溶液を調製
し、タッチロールを使用して強化繊維の表面に均一に塗
布し、１００°Ｃで３０分間の加熱処理を行って表面処
理を行った。

上記の樹脂フィルム上に表面処理済みの強化繊維を引き
揃え、１２０℃の加熱ロールで繊維の開繊、樹脂の含浸
を行い、巾３００　ｍｍ、繊維目付１４５ｇ／ｒｒｒ、
樹脂含有率２４重量％のプリプレグを得た。

得られたプリプレグは、強化繊維の乱れもなく、適度の
タック、ドレープ性を有した非常に高品質のものであっ
た。

（３）コンポジット成形 上記（２）で得られたプリプレグを同一方向に２０プラ
イ積層し、真空バッグ内にセットし、オートクレーブ中
昇温速度２°Ｃ／ｍｉｎ　、　１８０°ＣＸ２時間、６
ｋｇｆ／ｃｎｆの条件で加熱加圧下に成形を行った。バ
ッグ内はオートクレーブ内圧力が２ｋｇｆ／ｃｎｆにな
るまで真空圧を維持した。

常温に戻った時点でバッグから成形板を取り出し、熱プ
レスにて昇温速度５°（：：／ｍｉｎ　、　２４０°Ｃ
Ｘ２時間、１０ｋｇｆ／ｃａｒの条件でアフターキュア
ーを行った。

このようしにて成形された２Ｍ厚、繊維含有率６２重量
％のコンポジット単層板からダイアモンドブレードカッ
ターを使用して曲げ、ＩＬＳＳ。

９０°方向引張試験用の試験片を切り出した。試験片の
寸法はそれぞれ１２，７Ｘ８０Ｘ２ｍｍ、１２゜７Ｘ４
０Ｘ２ｍｍ、２５．４Ｘ２１０１０Ｘ２とした。

また、これらの試験片は万能試験機（インストロン社製
）を用いてそれぞれの物性試験に供した。

結果を第１表に示す。

第　　ｌ　　表 比較例１ 上記実施例１で使用したと同じ強化繊維をその表面処理
することなく用いた以外は、実施例１と同様にしてマト
リックス樹脂組成物を調製し、リプレグを作成し、コン
ポジット成形を行い、の物性の測定を行った。結果を第
２表に示す。

第　　２　　表 プ そ 以上の実施例１と比較例１の結果から明らかなように、
曲げ特性やＩＬＳＳには表面処理の影響がさほど見られ
ないものの、９０’引張り特性に対しては大きく影響し
ており、実施例１における表面処理の効果が判明した。

実施例２ 実施例１で使用したカップリング剤に代えて、γ−（２
−アミノエチル）アミノプロピルトリメトキシシランを
使用し、実施例１と同様にしてマトリックス樹脂組成物
を調製し、プリプレグを作成し、コンポジット底形を行
い、その物性の測定を行った。結果を第３表に示す。

第　　３　　表 〔発明の効果〕 本発明のプリプレグの製造法によれば、使用されるマト
リックス樹脂の優れた耐熱耐湿性を維持しながら、得ら
れるコンポジットの非繊維方向特性を向上させることが
でき、その実用上の効果は極めて顕著なものである。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）強化繊維とマトリックス樹脂とからなるプリプレ
   グを製造するに際し、少なくとも下記［１］〜［５］の
   工程、 ［１］下記一般式〔１〕で示されるビスマレイミド成分
   及び／又は下記一般式〔２〕で示されるシアン酸エステ
   ル成分を主成分とするマトリックス樹脂組成物を得る工
   程、 ▲数式、化学式、表等があります▼〔１〕 〔但し、式中Ｒは２価以上の芳香族残基を示し、Ｘ＿１
   及びＸ＿２は水素、アルキル基、フェニル基又はハロゲ
   ンのいずれかを示し、ｎは２〜６の整数である〕 ▲数式、化学式、表等があります▼〔２〕 〔但し、式中Ｒは芳香族残基を示し、ｍは２〜６の整数
   である〕 ［２］上記マトリックス樹脂組成物を加熱して離型紙上
   に薄く塗布する工程、 ［３］強化繊維の表面にアミノシラン系カップリング剤
   を塗布する工程、 ［４］上記のマトリックス樹脂組成物を塗布した離型紙
   上に上記のアミノシラン系カップリング剤を塗布した強
   化繊維を引き揃える工程、 ［５］上記工程［４］で得られたシートを加熱ロールで
   加圧し、強化繊維中に樹脂を含浸させてプリプレグを得
   る工程、 を有することを特徴とするプリプレグ製造法。
2. （２）アミノシラン系カップリング剤として、下記一般
   式 ▲数式、化学式、表等があります▼ 〔但し、式中Ｘは加水分解性基を示し、Ａは窒素原子と
   珪素原子とに結合しているアルキレン基を示し、Ｒは炭
   素及び水素からなる有機基を示し、ｐは０または１以上
   の整数を示す〕で表されるものを使用する請求項１記載
   のプリプレグ製造法。
3. （３）強化繊維が炭素繊維、シリコンカーバイド及びシ
   リコンカーバイド／チタン／酸素系セラミック繊維から
   選択された１種又は２種以上の混合物である請求項１又
   は２記載のプリプレグ製造法。
4. （４）マトリックス樹脂組成物が他の樹脂成分としてエ
   ポキシ樹脂及び／又は熱可塑性樹脂を含有する請求項１
   〜３のいずれかに記載のプリプレグ製造法。
5. （５）熱可塑性樹脂がポリエーテルスルホン、ポリスル
   ホン、ポリアリルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリ
   エステル及びポリアミドから選択された１種又は２種以
   上の混合物である請求項４記載のプリプレグ製造法。