JPS59130375A - 耐衝撃性のすぐれた複合材料用のサイズド炭素繊維 - Google Patents

耐衝撃性のすぐれた複合材料用のサイズド炭素繊維

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JPS59130375A
JPS59130375A JP58245583A JP24558383A JPS59130375A JP S59130375 A JPS59130375 A JP S59130375A JP 58245583 A JP58245583 A JP 58245583A JP 24558383 A JP24558383 A JP 24558383A JP S59130375 A JPS59130375 A JP S59130375A
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epoxy resin
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リンカ−ン・イン
ト−マス・ピ−・カ−タ−・ジユニア
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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】 本発明は、複合(オ料に使用するとその飾1 fffi
撃性を高めることのできろ改良された炭素繊維に門ずろ
高IIl能+、4 $1の探求においで、炭素繊維に著
しい関心が隼まっている。将来の産業用高性能社訓は繊
維強化複合材’I”lをかなり利用すると考えられてお
り、高力強化剤として使用され?1繊維の中で炭素繊維
が理論的に目星も高性能である。この好ましい性情とし
ては、耐食性および耐熱性、低密度、高引張強さ、なら
びに高’J(牛がある。
比較的mつきやすい炭素を銭錐を7トリソクス材1′°
1に配合して、炭素繊維が軽ffl t3N in−強
化剤として作用する高性能材料を形成する場合、7トリ
ノクス利料としてはこれまで高分子+、I!I’lが一
般に採用されてきた。エポキシ樹脂がマトリ・ノクス材
料として最も多く使われている。また、ポリイミド樹脂
の7トリソクス祠ニド′1としての使用も、さらに高温
の使用温度にt)而・1えることができるという理由か
ら提案されている。
複合材製品の形成中に過度の繊維損傷を伴わずに炭素繊
維の取扱適正を改善するためには、炭素繊維の表面に軟
質サイズ剤または仕上剤を塗布することが学会的に行わ
れている。例えば、エポキシサイズ剤の例は米国特許第
3,837.りO/l ;  3,914,504 ;
および3,957,716の各号に開示されている。エ
ポキシ樹脂を塗布したサイジング処理炭素繊維(以下、
ザイズド炭塁繊維という)は、一般にエポキシ系の7ト
リノクス樹脂に配合され、硬化すると硬質複合材製品と
なる。
しかし、炭素繊維の取扱適正を高めると同時に、この炭
素繊維を強化剤として使用した複合材料の耐衝撃性を改
善することが可能な、炭素繊維用のサイズ剤または仕」
二剤は依然として求められている。
本発明の目的は、炭m IJU雑の過度の毛羽立ちまた
は損傷を起こさずに容易に取扱うことのできるサイズド
炭賽繊維を提供することである。
本発明の別の目的は、複合構造物に配合したときに、向
上した耐(を撃性を示す構造物を生ずる、改良されたザ
イズド炭ffi tJli k4(:を提供することで
ある。
本発明の別の目的は、特に複合構造物の形成に使用する
のに適した、改善されたサイズド炭素υ(維を提供する
ことである。
本発明の別の目的は、マトリックス材;ト1による含浸
を容易に受ける改善されたサイズド炭素繊維を提供する
ことである。
さらに本発明の目的は、高分子7トリソクスと、複合構
造物の総合的な物理的性質を実質的に低下させろことの
ないサイズ剤被口炭素繊維とからなる、改善された炭素
繊維強化複合構造物を提供することである。
以上およびぞの他の目的ならびに本発明の範囲、特徴お
よび用途は、以下の詳細な説明から当業者には明らかと
なるであろう。
本発明の1態様によれば、エピク170ヒドリンとp−
アミノフェノールとの反応生成物からなる第1成分のエ
ポキシ樹脂と、第2成分のアクリロニトリル−ブタジェ
ン−スチレングラフト 有するサイズ剤組成物が、炭素繊維の重量に対して約0
.5〜3.0重量%の量で表面に被覆されている炭素繊
維が提供される。
本発明の別の態様によれば、」二記すイズ剤絹放物を炭
素繊維の重量に対して約0.5〜3.0重量%の量で表
面に被覆した炭素繊維を、硬質ポリマーマトリックスに
配合してなる、複合構造物が提供される。
本発明により保護サイズ剤被覆が施こされる炭素繊維は
、炭素を少なくとも約90重量%(好適態様においては
、たとえば少なくとも約95重量%)含有するものであ
り、この炭素は本質的に非晶質あるいは黒鉛質のどちら
でもよい。適当な炭素繊維が市販されており、これは一
般にフィラメント当たりのデニール数が約0.5〜2デ
ニールと比較的低く、そのため適当なサイズ剤の被覆が
ないと取扱い時に繊維が損傷を受けやすく、特に比校的
高ヤング率の繊維の場合にこの傾向が強い。代表的な炭
素繊維は米国特許第3.775,520  ;3,90
0.556  ;3,925,524  ;および3、
954.、950号に開示されている。
サイジング前の炭素繊維は、場合により、樹脂マトリッ
クス材料との結合能力を高めるようにその表面特性を変
性させることがある。代表的な表面変性方法は、米国特
許第3,657,082  ;3,67L411  ;
3,723、150  ;3,723,607  ;3
.754,957  ;3.759,805  ;3。
859、187  ;3,894,884号;および本
出願人に譲渡されだ米国11許第222,970 z−
(1981年1月50出願)に開示さhている。
クイジング1111のL:こff’ fJL fイt 
+;J: 、 b7ましくは連続Hさのマルチフィラメ
ント糸、トつ、スI・ラント、テープ等のマルチフィラ
メント*J、li rN材:rlの形態とする。
ただし、ステーブル炭X、繊f41−ま入:Lコ、他の
繊卸隼合体も、本発明を利用して充分にり・イジングす
ることができろ。最良の鮎、FI!をir?ろための炭
ヌ′:繊維の形I虎は、サイズ剤絹放物を被覆する時点
で個々の1Jll維の表面が実質的に露出しているよう
なものて3・、る。
既に述べた」うに、本発明の炭素繊維には、第1成分と
してエビクロロヒドリンと1)−アミノフェノールとの
反応生成物からなるエポキシ+fiJ脂ならびに第2成
分の7クリロニトリル ブクジエンースヂレングラフト
J1:重合体(へ’vsl:J脂)を含有する軟質被覆
が表面に施こされ・己。
エポキシ内脂とアクリロニトリル ブクジエンスチレン
(3]脂との物理的ブレン1−は公知である(例えば、
米国特許第2.F179,252  ; 3,322.
FI52  ; 3+322+8!’i3; 3.49
G、 250  ; 3.923.922  ;お、1
−び、l、117,038℃参照)。一般ζ、二へB 
Sグラフトノ1s重合体はエポキシ樹脂と相溶セにでは
ないが、エビクロロヒドリンとp−−アミノフェノール
との反応により生成させたエポキシ樹脂にはABSグラ
フI−JI:重合体が容易に分散することができ、少な
くともある程度は可溶であるという予想外のり1著な特
性をABS樹脂が示す。
また、いったんABSグラフト共重合体をエビクロロヒ
ドリンとp−7ミノフエノールとの反応により形成した
エポキシ樹脂に分jJlさせ、少なくとも一部を熔解さ
せてしまうと、ABSグラフト共重合体と普通には相溶
性のない別のエポキシ樹脂を、生成したエポキシ−AB
S混合物と混和することができ、その場合でもABsグ
ラフト共重合体は溶液様の分散状態にとどまり、混合物
から分離することはない。
この結果は全く予想外であり、これによって、これまで
ABSグラフト共重合体と相溶性であるとは知られてお
らず、本発明にはこうしなければ使用することができな
い多様なエポキシ樹脂に、へBSグラフト共重合体をブ
レンドすることが可能となる。
エビクロロヒドリンとp−アミノフェノールとの反応に
より生成するエポキシ樹脂は、比較的低粘度(すなわち
、500〜900cp程度)を示すと考えられ 。
ろ。このような物理的特性は、このエポキシ樹脂へのへ
BSグラフト共重合体の分散を助けると考えられるが、
この理由だけによるとは思われない。
そのようなエポキシ樹脂の例は、米国特許第2,951
.825 号に開示されている。たとえば、この米国特
許ハ、り千−ノム触媒の存在下でアミノフェノールをエ
ビクロロ上1′リンと反応さ(てアミノフェノールの相
当するクロロ上1゛リンを生成させることによる、p−
アミノフェノールのトリグリシジル誘導体の製造を開示
している。このクロロヒドリンを次いで脱塩酸化すると
、目的とする了ミノフェノールのポリグリシジル誘導体
が生成する。このようなエポキシ樹脂は当該分野では周
知であり、チバーカイギー社より商品名Araldit
e 0500および0510として市販されている。
本発明の実施においては゛多様なへBSグラフト共重合
体を使用できる。本発明に利用した具体的なグラフ1〜
重合体を製造するにしよ、まずブタジェンのような共役
ジエンを、スチレンのようなモノビニル芳香族炭化水素
の存在Tまたは不存在下に重合さゼて、ポリブタジェン
またはブタジェン スチレン共重合体主鎖のような重合
ジエン系ゴム質主鎖を形成する。
その後、別のモノマーまたはモノマ一群を前述のゴ′J
A質主鎖にグラフト重合させて、グラフト重合体を完成
させる。これは、重合条件下でのアクリロニトリル、置
換アクリロニトリルもしくはアクリル酸エステルおよび
モノビニル芳香族炭化水素(代表例は、それぞれアクリ
ロニトリル、メタクロロニトリル、もしくはメククリル
酸メチルおよびスチレン)の添加および相互作用によっ
て達成される。
主鎖、すなわち共役ジエン重合体または共重合体は、組
成物の今市■の約10〜60重M%を占めるように製造
され、この主鎖重合体または共重合体の存在下でグラフ
ト重合させるアクリロニトリル、置換アクリロニトリル
、もしくはアクリル酸エステルおよびモノビニル芳香族
炭化水素は、組成物の全重量の約40〜90重量%を占
める。
アクリロニトリル、置換アクリロニトリル、またはアク
リル酸エステルは、好ましくはこの3成分有機混合物の
約5〜45重量%を占め、モノビニル芳香族炭化水素は
組成物全体の約30〜80重量%を占めるようにする。
モノビニル芳香族炭化水素という用語は、スチレン、α
−メチルスチレン、ビニルトルエン、ビニルキシレン、
エチルビニルベンゼン、イソプロピルスチレン、クロロ
スチレン、ジクロロスチレン、エチルクロロスチレン、
これらの混合物など10  ″ の化合物を包含する意旧〜ζ(貫)る。アクリロニトリ
ル、置換アク10ニにトリル 合物とい・う用語シ,I、アクリロニトリル、ツタクリ
r.に1−リル、エタクリロニトリル、クロロアクリロ
ニトリル、ツククリル酸ノチル、メタクリル酸エヂル、
メタクリル酸プr1ビル等、ならびにごれらの混合物な
どの化合物を包含ずろ怠味である。
AI’3S−エポキシブレン1は、熔融条(’+下でA
PISグラフ1−共重合体をエポキシ樹脂と鼠拌しなが
ら混和ずろか、またはその他の方法で両成分を混和する
ことにより形成し・)る。この混合は、高温条件(たと
えば135〜150℃)で行って、エポキシ樹脂とへB
Sグラフ1〜共1y合体の両方の粘度を減少させる」ン
)にするのが好ましい。エポキシ樹脂にABSグうフI
− J!:重合体を少しづつ添加すると、−・般にエボ
・トラ樹脂中でのA B S共重合体の分11kがより
容易になる。
上述の2成分は最終製品に要望される物理性質に応じて
各種の割合で混合することができる。一般に、AI3S
グラフト、!(重合体とエポキシ樹脂との重量比は約1
−〇〇〜99;lの範囲内が適切であること力司11明
した。に4〜4:1の重量比が特に好ましい。
1 所望により、ブレンドを架橋(すなわち硬化)させるた
めに反応性架橋剤を使用してもよいが、こればあまり好
ましくはない。ポリアミン(例、トリエチレンテトラミ
ン)、三フッ化ホウ素ーアミン釘1体、ニル′)i>酸
無水物、置換イミダゾール類、フェノールおよび置換フ
ェノール触媒、ならびに尿素樹脂などの公知架嬌剤が適
当である。硬化剤は、使用する硬化剤およびエポキシ樹
脂の種類に応じて、ブレンドの約1〜90市M%の範囲
内のMで使用しうる。塩化第一スズおよび三フフ化ホウ
素のようなルイス酸型硬化剤は比較的少量、すなわち約
1〜5%でよいが、アミン錯体では4〜15%必要とな
ることがあり、またカルボキシル化硬化剤(例、カルボ
キシ末h’a’+ブタジェンおよびメタクリル酸)なら
びに重合不飽和酸とジアミンとの縮合により製造される
ようなポリアミドでは50〜90重M%というような多
量が必要となることもある。
エポキシ−ΔBSグラフト共重合体組成物を形成した後
、この組成物は別に溶剤を用いずに熱熔副;処理ずろこ
ができる。別の種類の慣用の熱硬化性(例えばエポキシ
))も1脂をこの組成物に添加して、へBSグラフl−
共重合体の混合物からの分離を起こさす2 に、(ゴられた生成物の各種特性を高めることもできる
。この結果は全くT−萌しえないη1くべきものであり
、本発明の主要な利点の1つである。このような別の種
類のエポキシ樹脂としては、グリセリンおよびビスフェ
ノールのような多価ヒドロキシ化合物とエビクロロヒド
リンとの反応生成物が挙げられるが、これに躍られるね
りではない。
4イジング液を調製するには、エポキシ−ABS混合物
をアセトンと災に容器に入れ、磁気攪拌了により攪t1
〕シながら2〜5%溶液を生成させればよい。
サイズ剤被膜を形成することができる溶液の炭素繊維へ
の被覆は、浸漬、パジング等の適宜1段で実施しろる。
ザイジンダ液の炭素繊維への′IJ1rMにあたっては
、ごの溶液をほぼ室温(たとえば約25℃)の温度とす
るのが好ましい。溶液を塗布したら、より高温に保持さ
れている適宜帯域内での加熱により、溶液中に含まれて
いる溶剤を実質的に揮発させる。
この加熱帯域の温度は使用した溶剤の沸点に左右される
が、好ましくは約150〜160°Cを越えない。加熱
時間は約2分で充分であることが判明した。作業区域内
の作業負の安全性を確保し、溶剤蒸気により起こる爆発
の危険性に有効に対処するために、適当3 な付帯設備を設け、安全面の注意を払うことが必要であ
る。可能な躍り完全に溶剤を除去するようにあらゆる手
段を講する。
溶剤の揮発により、炭素繊維の表面に、炭素繊維の重量
に対して約0.5〜3.0重量%、特に好ましくは約1
.1〜1.5重量%の量でのサイズ剤被膜を付着させる
本発明の軟質サイズ剤被膜を被覆した炭素繊維は、過度
の損傷を起こさずに取扱うことができる。サイジング処
理されていない連続長さの炭素繊維を処理しようとする
場合に普通認められる毛羽立ちの問題は著しく緩和され
る。本発明のサイズ剤被膜を有する炭素taXの束は、
偏平にしたり、薄く拡げたりしやすく、それにより標準
的な方法によって複合構造物を形成する際に、マトリッ
クス樹脂による炭素繊維の含浸が容易になる。この含浸
の結果、機械的性質が向上した複合構造物が生ずると考
えられる。本発明のサイズ剤を保有する炭素繊維の束は
、比較的傷つきやすい炭素繊維の実質的な損失を伴わず
に盟織することができる。
サイジング処理した炭素繊維を7トリツクス樹脂を構成
する組成物で含浸するには、(])樹脂フィルム4 と接触さ一口だi論、加!1シおよび加圧する方法、(
2)溶融したマIリノクス形成成分を入れた浴に通して
引いていくJ背ノ:、あるいL:l: (3)低沸点溶
剤を含むIM脂/8液を塗布し、次いで塗布した繊維を
加熱炉に通して溶剤をロ′:去する方法といった適当な
方法を採用しうる。
硬化後のリイズドがこχ繊hイtは、、 !ITましく
は、最終1M合構造物の仝千7に対して約50〜75重
臣%、特に好:I L < kl: 左、560〜65
重量%の量て高分子7トリソクス(月脂中に?i在する
f+7られた複合材製品は、高温(例えば、95〜20
5°(:)で使用可能な強力軽W構漬部+4として利用
できろ。たと;bぽ、本発明の複合材製品は宇宙空間で
、1冒こ航空tjMのLおよび側構造]1のよ・)なス
キン構造部1、)としてずf用である。
l)ノ丁の実施例は本発明の例示である。ただし、本発
明はこの実施例に記載の口体例に制限される1)ので番
11ない。
実施例−1− アクリ「にI・リル中位約98Tニル%およびメチルア
クリレ−1中位約2T−ル%よりなるアクリロニトリル
共重合体からll′7られだ炭素質フィラノンNA利の
糸を4j〜イシング川の炭素繊維として1か用した。こ
の5 炭素質材料の糸は、約6000木の実質的に平行なフィ
ラノンI・からなる炭素含有量的93重量%のもので、
セラニーズ社からCe1ion 6000という商品名
で市販されている。この炭素繊維の典型的な平均マイラ
メン1〜特性は、繊度0.6デニール、引張強さ約47
0,000 ps i  (33,000kg / c
a ) 、ヤング率約34 X 10°psi(2,4
xlo6kg/cJ)−および伸び約1.4%である。
120〜150°Cの範囲の温度で、熱可塑性ABS樹
脂(IISS Chemicals !l!、商品名に
−3462)50重量部を、エポキシ樹脂(チバーガイ
ギー裂、商品名AraIdiLe 051(1) 10
0重■重呈攪拌しながら少しづつ加えた。得られた混合
物を磁気攪拌子で攪拌しなからアセトンに投入して3%
溶液とした。
f1′?られた希薄ザイズ剤熔液を炭素をへ維に被覆し
た。
より具体的には、連続Hさの炭素繊維を、室温でサイジ
ンダ液の入った金屈樋に浸漬して、5m/minの速度
で金属樋中を繊維の長さ方向に通過させ、続いて2列の
ゴムローラに通して繊維束から過剰のザイジング液を除
去することによって、サイジングを行った。
次に110℃の空気循環炉で2分間乾燥して、炭素繊維
の表面から溶剤を除去した。炭素繊維の表面に6 は軟質塗膜が約1.2重量%の量で付着しており、それ
により炭T級¥Kr−(、こ非常に向−1ニした取扱い
特性が付与、されるとともに、毛羽立ら量が著しく減少
した。
このサイズト炭素繊維は、標準的なエボキシマI・すy
 クスl:l脂系(100[fi部(71)Rpi R
GZ 508 ニ対して22.5ifi部のEpi C
ure IEIよりなる;いずれもセラニーズ社より市
販)で含浸させる準備として平たくひろげることができ
た。複合材料の形成は、3インチ(7,6cm)のプレ
プレグを用いて行い、マノ千ノタルダイ成形技術によっ
て、炭素繊維強化複合構造物の形成中に、95°C15
psi  (0,35kg/ cJ)で5分間、次に1
65°C250psi  (3,5kg/c+J)で4
5分間の硬化を行−9てラミネー1−をヅJ作した。f
!7られた複合4A:(”lの1現械的性質をAS′団
規格試験法によって測定し、結果を第1表と第211に
まとめた。
実施例 実施例1の方法を繰り返したが、ただし別のエポキシ樹
脂(シェル・ケミカル社製、商品名Rpon 828)
400重量部を、実施例1で調製したサイズ剤組成物1
50重量部に添加して、ABS濃度をエポキシ樹脂10
0部中ABSIO部となるよ・)にn釈した。その後、
3%アセi・ン熔液を調製し、複合構造物を製j省7 した。得られた複合材オ′ミ1の機械的性質を437M
試験法により測定し、結果をやはり第1表と第2表にま
とめた。
上し1交−(列− 実施例1の方法を繰り返したが、ただしABS樹脂は使
用しなかった。17られた複合材料の機械的性質をAS
TMi式験法により測定し、結果を第1表と第2表に示
した。
第1表 複合材料の機械的性質 10 この結果より、ABSグラフト共重合体をエポキシ系サ
イズ剤組成物中に配合することによって(実施例1およ
び2)、サイジング処理した炭素繊維から製造し複合相
製品の衝撃強さが著しく高まることがわかる。しかも、
他の機械的特性もあまり損なわれない。
以上に好適態様に関して本発明を説明したが、本発明は
これに制附されるものではなく、本発明の範囲内におい
て各種の変更が当然なされ得る。
出願人  セラニーズ・コーポレーション代理人  弁
理士 広 瀬 章 − 0

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)エピクロロヒドリンとp−アミノフェノールとの
    反応生成物からなる第1成分のエポキシ樹脂と、第2成
    分のアクリロニロリルーブタジエンースチレングラフト
    、l+:重合体とを含有するサイズ剤組成物が、炭素繊
    維の重量に対して約0.5〜3.0重量%の量で表面に
    被覆されている炭素繊維。
  2. (2)前記被覆を約1.1〜1.5重量%の量で存在さ
    せる特許請求の範囲第1 ri’l記載の炭素繊維。
  3. (3)前記ジ°イズ剤紹放物が、エピクロロヒドリンと
    ビスフェノールとの反応により形成した別のエポキシ樹
    脂をさらに含有する特許請求の範囲第1項記載の炭素繊
    維。
  4. (4)前記第1成分のエポキシ樹脂と前記アクリロニト
    リル−ブタジェン−スチレングラフトとを、約99:1
    〜I:99の範囲内の電工比で存在させる特許請求の範
    囲第1項記載の炭素繊維。
  5. (5)前記第1成分のエポキシ樹脂と前記アイノリロニ
    トリルーブクジエンースチレングラフト共重合体とを約
    4:1〜1:4の範囲内の重量比で存在させる特許請求
    の範囲第1項記載の炭素繊維。
  6. (6)エピクロロヒドリンとp−アミノフェノールとの
    反応生成物からなる第1成分のエポキシ樹脂と、第2成
    分のアクリロニトリルーブタジエンースチレンゲラフト
    共重合体とを含有するサイズ剤組成物が、炭素繊維の重
    量に対して約0.5〜3.0重量%の量で表面に被覆さ
    れている炭素繊維を、硬質ボリマーマ1ーリンクス中に
    配合してなる複合構造物。
  7. (7)前記被覆を約1,1〜1.5重量%の景で存在さ
    せる特許請求の範囲第6項記載の複合構造物。
  8. (8)前記サイズ剤組成物がエピクロロヒドリンとビス
    フェノールとの反応により形成した別のエポキシ樹脂を
    さらに含有する特許請求の範囲第6項記載の複合構造物
  9. (9)前記第1成分のエポキシ樹脂と前記アクリロニト
    リルーブタジエンースチレンゲラフI・共重合体とを約
    99=1〜1:99の範囲内の重量比で存在させる特許
    請求の範囲第6項記載の複合構造物。
  10. (10)前記第1成分のエポキシ樹脂と前記アクリロニ
    トリループクジエン−スチレングラフト共重合体とを約
    4=1〜l:4の範囲内の重量Jしζ存在させろ特許請
    求の範囲第(5項記載の複合構造物。
  11. (11)前記炭素繊維を約50〜75重量%の量で配合
    した1に許請求の範囲第6項記載の複合構造物。
  12. (12)前記炭素繊維を約60〜6S重7%の箪で配合
    した特許請求の範囲第6ri′I記載の複合構造物。
JP58245583A 1982-12-29 1983-12-28 耐衝撃性のすぐれた複合材料用のサイズド炭素繊維 Pending JPS59130375A (ja)

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