JPH078923B2 - 無機繊維強化ビスマレイミド樹脂プリプレグの製法及び積層体の製法 - Google Patents

無機繊維強化ビスマレイミド樹脂プリプレグの製法及び積層体の製法

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JPH078923B2
JPH078923B2 JP6315088A JP6315088A JPH078923B2 JP H078923 B2 JPH078923 B2 JP H078923B2 JP 6315088 A JP6315088 A JP 6315088A JP 6315088 A JP6315088 A JP 6315088A JP H078923 B2 JPH078923 B2 JP H078923B2
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bismaleimide
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新治 山本
秀穂 田中
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、耐熱性及び力学的性質のすぐれた樹脂含浸プ
リプレグの製法、及びこのプリプレグを用いる積層体の
製法に関する。
(従来技術及びその問題点) 炭素繊維強化ビスマレイミド樹脂復合材料は、従来の炭
素繊維強化エポキシ樹脂復合材料に比較して、比強度、
比弾性率の高いことに加えて、優れた耐熱性のために、
近年、宇宙・航空機産業分野に用いられつつある。しか
し、炭素繊維強化ビスマレイミド樹脂復合材料は、炭素
繊維とマトリックスとなるビスマレイミド樹脂との結合
力が弱いため、層間剪断強度、繊維と直角方向の引張強
度、あいはシャルピー衝撃値が低いという問題点を有し
ている。
上記の問題点を解決する方法として、特開昭62−57427
号公報には、実質的にSi、Ti又はZr、C及びOからなる
無機繊維を補強繊維として使用するビスマレイミド樹脂
復合材料が提供されている。この復合材料は、使用され
る無機繊維がマトリックスとの親和性に優れているため
に、従来の問題点であった層間剪断強度、繊維と直角方
向の引張強度、あるいはシャルピー衝撃値が大幅に改善
されている。しかし、特に宇宙・航空機分野に用いる場
合に重要な特性である圧縮特性及び曲げ特性はいまだ必
ずしも充分なレベルには達していない (発明の目的) 本発明の目的は、特開昭62−57427号公報に開示された
無機繊維強化ビスマレイミド樹脂の曲げ特性が著しく改
良され、かつ耐熱性にも優れた積層体の製法、及びこの
積層体を製造するために必要なプリプレグの製法を提供
することにある。
(問題点を解決するための技術的手段) 本発明は、 150℃≦Tb≦190℃ 11Kcal/mol≦ΔHb≦16Kcal/mol Pb≦3mmHg (上記において、Tbは常圧下での沸点を示し、ΔHbは25
℃での蒸発熱を示し、Pbは25℃での蒸気圧を示す。)を
同時に満足する有機溶媒にビスマレイミド樹脂を溶解
し、得られる溶液を、実質的にSi,Ti又はZr、C及びO
からなる無機繊維に含浸させることを特徴とする、無機
繊維強化ビスマレイミド樹脂プリプレグの製法、及びこ
のプリプレグを積層して硬化させる積層体の製法であ
る。
本発明で使用される無機繊維はアメリカ特許第4342712
号明細書及び同第4515742号明細書に記載の方法に従っ
て調製することができ、これら明細書の記載は本明細書
の一部として援用される。
調製法の一例を以下に示す。
(但し、式中のRは水素原子、低級アルキル基又はフェ
ニル基を示す)で表される主鎖骨格を有する数平均分子
量約200〜10000のポリカルボシラン、及び 式 MX4 (但し、式中のMはTi又はZrを示し、Xは炭素数1〜20
個のアルコキシ基、フェノキシ基又はアルセチルアセト
キシ基を示す)で表される有機金属化合物を、上記ポリ
カルボシランのSi-CH2の構造単位の全数対上記有機
金属化合物のM-Oの構造単位の全数の比率が2:1ない
し200:1の範囲内となる量比に添加し、反応に対して不
活性な雰囲気中において加熱反応して、前記ポリカルボ
シランの珪素原子の少なくとも一部を、前記有機金属化
合物の金属原子と酸素原子を介して結合させて、数平均
分子量約700〜100000の有機金属共重合体を生成させる
第1工程、上記共重合体の紡糸原液を調製し紡糸する第
2工程、紡糸繊維を不融化する第3工程、及び不融化し
た紡糸繊維を真空中あるいは不活性ガス雰囲気中で800
〜1500℃の温度範囲で焼成する第4工程からなる製造方
法によって、本発明における無機繊維を得ることができ
る。
無機繊維中の各構成元素の割合は、 Si:30〜60重量%、 Ti又はZr:0.5〜35重量%、好ましくは1〜10重量%、 C:25〜40重量%、 O:0.01〜30重量% である。
本発明において、上記の無機繊維を他の補強繊維との層
内ハイブリッドとして使用することができる。
このような他の補強繊維の例としては、ガラス繊維、炭
素繊維、アラミド繊維、アルミナ繊維、シリカ繊維、炭
化珪素繊維、ボロン繊維などの公知の繊維が挙げられ
る。これらの他の補強繊維は、本発明の無機繊維との合
計量に対して50体積%以下であることが好ましい。
本発明で使用されるビスマレイミド樹脂は、 式 で表されるビスマレイミドと、 式 H2N−R2−NH2 〔II〕 で表されるジアミンとから、それ自体公知の付加重合反
応(Michael付加反応)によって得られる架橋重合体で
ある。なお、上記両式においてR1及びR2はいずれも炭素
数2以上の2価の残基である。
ビスマレイミドの具体例としては、4,4′‐ビスマレイ
ミド‐ジフェニルメタン、4,4′‐ビスマレイミドジフ
ェニルエーテル、4,4′‐ビスマレイミドジフェニルス
ルホン、1,4-ビスマレイミド‐2-メチルベンゼン、N,
N′‐パラキシリレン‐ビスマレイミド、及びN,N′‐パ
ラフェニレン‐ビスマレイミドが挙げられる。
また、ジアミンの具体例としては、4,4-ジアミノジフェ
ニルメタン、m-アミノ‐安息香酸ヒドラジド、4,4′‐
ジアミノジフェニルエーテル、4,4′‐ジアミノジフェ
ニルスルホン、パラキシリレンジアミン、及びパラフェ
ニレンジアミンが挙げられる。
ビスマレイミドとジアミンとの混合割合は、前者1モル
に対して後者1〜2モルであることが好ましい。
ビスマレイミド樹脂の軟化点は80〜150℃の範囲にある
ことが好ましい。80℃より低い軟化点のビスマレイミド
樹脂を用いると、最終的に得られる積層体の強度が低く
なり、150℃より高い軟化点のビスマレイミド樹脂はプ
リプレグの成形の困難となり、良好な積層体が得られに
くくなる。本発明において、ビスマレイミド樹脂に適当
量のエポキシ樹脂を添加することもできる。
本発明においては、前記無機繊維と上記のビスマレイミ
ド樹脂とからなるプリプレグを製造する際に、特定の有
機溶媒に溶解させたビスマレイミド樹脂溶液を使用する
ことが必須である。
有機溶媒としては、つぎの三条件を同時に満足すること
が必要である。
150℃≦Tb≦190℃ 11Kcal/mol≦ΔHb≦16Kcal/mol Pb≦3mmHg 上記の条件を満たす有機溶媒の代表例としては、N,N-ジ
メチルアセトアミド、N,N-ジエチルホルムアミド、両者
の混合物、N,N-ジメチルアセトアミドとN,N-ジメチルホ
ルムアミドとの混合物が挙げられる。
190℃より高い沸点あるいは16Kcal/molより高い蒸発熱
を有する有機溶媒を使用すると、積層体の成形時に有機
溶媒の完全除去が容易でなく、積層体中にボイドとなっ
て残留し、積層体の曲げ特性あるいは耐熱性を著しく低
下させる。
150℃より低い沸点、11Kcal/molより低い蒸発熱あるい
は3mmHgより高い蒸気圧を有する有機溶媒を使用した場
合は、上述した積層体中のボイドの問題はないものの、
有機溶媒がプリプレグから揮発しやすいために貯蔵安定
性が低下する。この結果、プリプレグの粘着性(タック
性)が低下し、積層操作に支障をきたす。
ビスマレイミド樹脂を上記の有機溶媒に溶解した溶液中
の樹脂濃度は30〜50重量%であることが好ましい。樹脂
濃度が30重量%より低いと、無機繊維への樹脂付着量が
少なく、また積層体中にボイドが発生しやすくなり、良
好な復合材料が得られにくくなる。樹脂濃度が50重量%
を超えると、溶液の粘度が高くなりすぎる結果、溶液を
無機繊維に含浸させることが困難となる。
プリプレグはそれ自体公知の方法に従って調製すること
ができる。その例としては、ビスマレイミド樹脂溶液を
含浸した無機繊維フィラメント糸束をドラムに巻き掛
け、乾燥する方法、多数本の無機繊維フィラメントを一
方向に引き揃えてビスマレイミド樹脂溶液に含浸した後
に乾燥する方法、無機繊維織布をビスマレイミド樹脂溶
液に導き、含浸ついで乾燥する方法などが挙げられる。
プリプレグ中にはプリプレグに対して有機溶媒を5〜10
重量%残存させることが好ましい。残存有機溶媒が5重
量%より少ないとプリプレグの粘着性が劣る。また、残
存有機溶媒が10重量%より多いと、プリプレグが過度に
粘着性が示し、さらに積層体中にボイドが残りやすくな
る。
プリプレグ中の樹脂量はプリプレグに対して15〜45重量
%、特に20〜40重量%であることが好ましい。
プリプレグを積層する方法については特に制限はなく、
ハンドレイアップ法、自動レイアップなどの公知の方法
をすべて採用することができる。積層形態は通常よく行
われる対称積層、非対称積層、逆対称積層などのいずれ
であってもよい。また、積層順序についても特に制限は
なく、任意の繰り返し厚みを用いることができる。
プリプレグの積層物から積層体を形成する方法はなんら
制限されるものではなく、減圧バック/オートクレーブ
硬化法、ホットプレス成形法、シートワインディング
法、シートラッピング法、テープワインディング法、テ
ープラッピング法などの公知の方法を適宜採用すること
ができる。これらの方法の中でも、有機溶媒の除去の点
から減圧バック/オートクレーブ硬化法が好適に採用さ
れる。
硬化温度、硬化圧力、硬化時間などの硬化条件は、一般
的にビスマレイミド樹脂に対して行われる公知の条件が
適用できる。代表的は硬化温度は150〜250℃、好ましく
は160〜220℃、硬化圧力は3〜10Kg/cm2、硬化時間は1
〜5時間程度である。通常この硬化の後にポストキュア
ーが行われる。ポストキュアーは、通常、220〜270℃の
範囲の温度で16〜32時間行われる。
本発明で得られる積層体中の無機繊維の割合は、30〜80
体積%、特に45〜65体積%であることが好ましい。
本発明の積層体は、板、パイプなどの単純な形状の製品
の他に、曲面あるいは凹凸を有する種々の大きさの三次
元形状の製品を再現性をよく容易に与えることができ
る。
(実施例) 以下に実施例及び比較例を示す。各例における物性など
の測定方法をまず説明する。
1)プリプグのタック性 幅10.2cm、長さ20.3cmの鉄板の上に幅7.6cm、長さ7.6cm
のプリプレグを重ね合わせて貼り着け、さらにこのプリ
プレグの上に同寸法のプリプレグを貼り着けて、得られ
た積層材料を垂直に立てて、23℃、相対湿度50%で30分
間放置して、2枚のプリプレグがそのままの位置を維持
できるか否かで判断した。(AMS 3894) 2)体積繊維含有率(Vol%) 濃硫酸で積層体のマトリックスを溶解させ、強化繊維の
重量含有率を求め、積層体の密度を測定して算出した。
(ASTM D 3171) 3)体積空洞含有率(Vol%) 体積繊維含有率とそれから算出される体積樹脂含有率の
和を100から差引算出した。(ASTM D 2734) 4)熱分解温度(℃) DTA・TG分析装置〔(株)第二精工舎〕を用い、空気中
で昇温速度20℃/分で測定した。
5)機械的物性 測定機 インストロン社製 インストロン1185 曲げテスト 3点曲げ法(ASTM D 790) スパン/厚さの比 32 クロスヘッド速度 2mm/分 測定温度 23℃ 測定湿度 50%RH 層間剪断強度 ショートビーム法(ASTM D 2344) スパン/厚さの比 4 クロスヘッド速度 2mm/分 測定温度 23℃ 測定湿度 50%RH 実施例1 4,4′‐ビスマレイミド‐ジフェニルメタンと4,4′‐ジ
アミノジフェニルメタンとの付加反応によって合成され
たビスマレイミド樹脂〔日本ポリイミド(株)製 ケル
イミド601、軟化温度95〜110℃〕をN,N-ジメチルアセト
アミド(DMA A)に溶解し、樹脂濃度38重量%の溶液を
調製した。
上記溶液を無機繊維〔宇部興産(株)製 チラノ繊維〕
に含浸させ、ドラムワインダーを用いて巻き取り、一方
向に引き揃えてさらに100℃で30分間乾燥して、プリプ
レグを製造した。得られたプリプレグは、厚さ0.2mm、
揮発分7.2重量%、樹脂含有率30重量%であった。この
プリプレグのタック性を評価した。結果を第1表に示
す。
実施例2及び3 N,N-ジメチルアセトアミドに代えてN,N-ジエチルホルム
アミド(DEFA)又はDMAAとDEFAとの混合溶媒(重量比90
/10)を使用した以外は実施例1と同様の方法を繰り返
した。得られたプリプレグのタック性を第1表に示す。
比較例1〜3 DMAAに代えて、N-メチル‐2-ピロリドン(NMP)、N,N-
ジメチルホルムアミド(DMFAS)又はエチレングリコー
ルジメチルエーテル(EGDME)を使用した以外は実施例
1と同様の方法を繰り返した。得られたプリプレグのタ
ック性を第1表に示す。
実施例4 実施例1で得られたプリプレグを長さ260mm、幅90mm、
の長方形に裁断し、同じ方向(0°方向)に12プライ重
ね合わせて圧着し、これをオートクレーブ内で120℃ま
で昇温し、同温度で30分間保持した。さらに、180℃ま
で昇温し、同温度で1時間保持し、ついで60℃に冷却し
た後に放圧して、積層体を得た。オートクレーブ内圧は
最高3kg/cm2であった。上記積層体を250℃で24時間加熱
してポストキュアした。
得られる積層体について熱分解温度、体積繊維含有率及
び体積空洞含有率を測定した。また、この積層体から曲
げ試験片(繊維方向の長さ85mm、幅12.7mm)及び層間剪
断試験片(繊維方向の長さ28mm、幅12.7mm)を切り出し
た。これらの試験片について曲げ特性及び層間剪断強度
を測定した。結果を第2表に示す。
実施例5 実施例2で得られたプリプレグを使用した以外は実施例
4と同様の方法を繰り返した。結果を第2表に示す。
比較例4 比較例1で得られたプリプレグを使用した以外は実施例
4と同様の方法を繰り返した。結果を第2表に示す。
(発明の効果) 第1表び第2表からわかるように、本発明で得られるプ
リプレグはタック性が良好であり、また本発明で得られ
る積層体はボイド含有率が極めて少なく、優れた曲げ特
性及び熱分解特性を有しており、公知のそれらに比較し
て、改良された力学的性質及び耐熱性を有している。こ
れの結果は、プリプレグの製造に当たり、特定の有機溶
媒を使用することに起因するものである。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】150℃≦Tb≦190℃ 11Kcal/mol≦ΔHb≦16Kcal/mol Pb≦3mmHg (上記において、Tbは常圧下での沸点を示し、ΔHbは25
    ℃での蒸発熱を示し、Pbは25℃での蒸気圧を示す。)を
    同時に満足する有機溶媒にビスマレイミド樹脂を溶解
    し、得られる溶液を、実質的にSi、Ti又はZr、C及びO
    からなる無機繊維に含浸させることを特徴とする、無機
    繊維強化ビスマレイミド樹脂プリプレグの製法。
  2. 【請求項2】特許請求の範囲第1項のプリプレグを複数
    枚積層し、ビスマレイミド樹脂を硬化させることを特徴
    とする、積層体の製法。
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