JPS62183341A - 耐熱性複合材料 - 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〕 本発明は特定の２種のポリグリシジル誘導体とエポキシ
硬化剤を必須成分どするエポキシ樹脂組成物の硬化物を
マトリックスとし、繊維を強化材とした耐熱性繊維強化
複合材料に関するものである。

〔従来の技術〕

エポキシ樹脂組成物の硬化物をマトリックスとし、炭素
繊維、アルミナ繊維、ポリアミド繊維等の繊維を強化材
とした繊維強化複合材料は優れた機械的性質を有してい
るため、種々の産業において構造部品等、さらにはスポ
ーツ、レジャー用品等に使用されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、近年複合材料の応用分野が拡大するにつ
れていままでの使用環境よりもさらに高温、高温といっ
たように過酷な環境下において化学的安定性、機械的性
質を維持する材料が要望されるようになってきた。

繊維強化複合材料は強化繊維の特性を最大限に発揮させ
るにはマトリックスとして用いる樹脂が重要であり、そ
れ故、種々のエポキシ樹脂組成物についての開発が盛ん
に行われており、エポキシ樹脂組成物をマトリックスと
した繊維強化複合材料として、例えば特公昭５５−２５
２１７号公報においてはＮ、　Ｎ、　Ｎ’　、　Ｎ’−
テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン等とジフェ
ニルジアミノスルホンからなるエポキシ樹脂をマトリッ
クスとした炭素繊維強化複合材料が提案されている。こ
の複合材料は高い眉間剪断強度、耐熱性を有しているが
その硬化物は伸びが小さいため、硬くて脆（、かつ熱衝
撃に弱いため、航空機などの特殊用途に使用するには必
ずしも満足すべきものではない、またＮ、Ｎ、Ｎ”Ｎ　
ｌ−テトラグリシジルジアミノジフェニルメタンとジフ
ェニルジアミノスルホンからなる混合物は５０℃におい
て５００ボイズ以上の粘度を示し、取り扱い難い欠点が
ある。またこの混合物は反応性が悪いため、硬化反応を
充分に行うためには１８０℃以上の高温で４時間以上の
アフターキュアーを行う必要がある。これら欠点を改良
するため該組成物に硬化促進剤として三弗化硼素モノエ
チルアミン錯塩や三弗化硼素ピペラジン錯塩を用いると
反応性の改善は認められるものの耐熱性等を損ない、一
方、可撓性改善に関しては反応性エラストマーの添加が
考えられるが耐熱性、曲げ強度の低下が著しいことが判
った。

本発明の目的は高い眉間剪断強度、耐熱性、を有し、か
つ可撓性の改善された繊維強化複合材料を提供すること
にある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、 （Ａ）Ｎ、　Ｎ、　Ｎ’　、　Ｎ”−テトラグリシジル
ビス（アミノフェニル）メタンおよび／またはその縮合
生成物、 （Ｂ）芳香環に少なくとも１個のアルキル基が置換した
アミノフェノール化合物のポリグリシジル誘導体および
／またはその縮合物、および （Ｃ）エポキシ硬化剤 を必須成分とするエポキシ樹脂組成物の硬化物をマトリ
ックスとし、繊維を強化材としたことを特徴とする耐熱
性繊維強化複合材料を提供する。

本発明は上記の実状に鑑み鋭意検討の結果、（Ａ）Ｎ、
Ｎ、Ｎ′，Ｎ′−テトラグリシジルビス（アミノフェニ
ル）メタンおよび／またはその縮合生成物と（Ｂ）芳香
環に少なくとも１個のアルキル基が置換したアミノフェ
ノール化合物のポリグリシジル誘導体および／またはそ
の縮合物を混合したエポキシ樹脂組成物を用いたとき層
間剪断強度、耐熱性が高く、且つ可撓性の改善された繊
維強化複合材料が得られることを見出したものである。

また、上記組成物は反応性が高く、粘度も低いため複合
材料製造における作業性も良好である。

以下、本発明について詳述する。

本発明において用いられる（Ａ）Ｎ、Ｎ、Ｎ′，Ｎ′−
テトラグリシジルビス（アミノフェニル）メタンおよび
／またはその縮合生成物としては一般に市販されている
スミエポキシ＠　ＥＬＭ−４３４（住友化学工業■製）
、アラルダイト・ＭＹ−７２０、ＭＹ９５１２（チバガ
イギー社製）等が使用される。

また、一方のポリグリシジル誘導体は芳香環に１個以上
のアルキル基が置換したアミノフェノールのポリグリシ
ジル誘導体または／およびその縮合物である。特に成形
性の面から好ましくは２５℃の粘度が１５ボイズ以下の
ポリグリシジル誘導体である。

このポリグリシジル誘導体を製造する方法については特
に限定されないが、−例を述べればアルキル基置換アミ
ノフェノールを過剰（例えば５倍モル、好ましくは１０
倍モル以上）のエピハロヒドリン（例えばエピクロルヒ
ドリン）中で１００℃以下の温度でアミノ基ヘエピハロ
ヒドリンを付加反応させた後、４０〜１００℃の温度で
減圧下に苛性アルカリの水溶液を滴下し、同時に反応系
内の水を共沸で留去しながらエポキシ化反応させる方法
が挙げられる。上記の反応においては既存のエポキシ化
反応と違ってエポキシ化反応以外の副反応が極めて抑制
されているのが特徴である。このためエポキシ基含有量
の高い低分子量のポリグリシジル誘導体が得られる。特
に好ましくはエピへロヒドリンを約１５モル倍以上使用
することにより２５℃で１５ボイズないしそれ以下の粘
度のポリグリシジル誘導体が得られる。これは三官能性
のポリグリシジル誘導体としては極めて低い値である。

本発明で用いられるポリグリシジル誘導体は、１個の芳
香環に３個程度のポリグリシジル基が結合しており、さ
らに既存のポリグリシジル誘導体と比較してエポキシ基
含有量が高いので、その硬化物は架橋密度が高くなり、
高度の耐熱性を発現すると考えられる。

本発明で用いられるポリグリシジル誘導体の原料である
アルキル基置換のアミノフェノール化合物のアルキル基
の炭素数は１〜５のもので１個のアルキル基置換のもの
が好ましく、具体的には４−アミノ−ｍ−クレゾール、
４−アミノ−０−クレゾール、６−アミノ−ｍ−クレゾ
ール、５−アミノ−ｍ−クレゾール、３−エチル−４−
アミノフェノール、２−エチル−４−アミノフェノール
等の１種または２種以上が好ましく例示される。特に好
ましくは４−アミノ−ｍ−クレゾール、４−アミノ−０
−クレゾールである。

本発明で用いられる（Ｂ）芳香環に少なくとも１個のア
ルキル基が置換したアミノフェノール化合物のポリグリ
シジル誘導体および／またはその縮合物の添加量は（Ａ
）Ｎ、Ｎ、Ｎ′，Ｎ′−テトラグリシジルビス（アミノ
フェニル）メタンおよび／またはその縮合生成物に対し
通常１０〜５０重量％、好ましくは１０〜３０１ｉ量％
である。（Ｂ）の成分が５０重量％を超えると樹脂組成
物のポットライフの低下をきたし、一方１０重量％未満
では可撓性改良効果が少ないので好ましくない。

本発明においてはさらに本発明の目的を損なわない範囲
で他のエポキシ樹脂との併用も可能である。

本発明で用いられるエポキシ硬化剤としては公知のもの
が使用でき、例えばジアミノジフェニルスルホン化合物
、ジアミノジフェニルメタン化合物、ジシアンジアミド
、テトラメチルグアナジン、フェノールノボラック樹脂
、酸無水物、芳香族アミン、脂肪族アミン、三弗化硼素
錯体等を挙げることができる。これらのなかではジアミ
ノジフェニルスルホン化合物（００５）、ジアミノジフ
ェニルメタン化合物（ＤＤＭ）および酸無水物が好まし
く、ｎＤＳおよび／またはＤＩ）Ｍが特に好ましい、具
体的にはＤＤＳＳＤＤＭとしては４．４°−ジアミノジ
フェニルスルホン、３．３’　−ジアミノジフェニルス
ルホン、４．４′−ジアミノジフェニルメタン、３，３
゛−ジアミノジフェニルメタン等が挙げられ、これらは
単独または２種以上の混合物で使用される。また、酸無
水物としてはテトラヒドロ無水フタル酸、メチルテトラ
ヒドロ無水フタル酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、メチ
ルへキサヒドロ無水フタル酸、ドデセニル無水コハク酸
、無水ナジック酸、無水メチルナジック酸、無水フタル
酸、無水ピロメリット酸、無水ベンゾフェノンテトラカ
ルボン酸、メチルシクロヘキセンテトラカルボン酸無水
物、３．４−ジカルボキシ−１，２，３，４−テトラヒ
ドロ−１−ナフタレンコハク酸二無水物、１−メチル−
３，４−ジカルボキシ−１，２，３，４−テトラヒドロ
−１−ナフタレンコハク酸二無水物等の１種または２種
以上が挙げられる。

本発明で用いられるポリグリシジル誘導体は特にジアミ
ノジフェニルスルホンおよびジアミノジフェニルメタン
化合物との親和性に優れ、得られる樹脂は取り扱い性が
良好で、物性の面で均質性が良好である。

本発明において樹脂組成物をプリプレグ用・に用いる場
合、粘度を調節するため、ジアミノジフェニルスルホン
化合物、ジアミノジフェニルメタン化合物を予め予備重
合しておいても差支えない。

エポキシ硬化剤の使用割合はとエポキシ樹脂の混合物中
の全エポキシ基量から理論的に計算される量を１とした
場合、好ましくは０．４〜１．４倍量、より好ましくは
０．５〜１．２倍量の範囲である。

更に必要により硬化促進剤として、従来より公知である
三級アミン、フェノール化合物、イミダゾール類、ルイ
ス酸等を本発明の目的を損なわない範囲で添加してもよ
い。

本発明で強化材として使用される繊維としては炭素繊維
、黒鉛繊維、ガラス繊維、炭化ケイ素繊維、アルミナ繊
維、チタニア繊維、窒化硼素繊維、芳香族ポリアミド繊
維、芳香族ポリエステル繊維、ポリベンツイミダゾール
繊維等、引張強度０．５ＧＰａ以上、ヤング率５０ＧＰ
ａ以上の無機質または有機質繊維を例示することができ
る。

これら繊維は連続トウ、織布、短繊維、ホイスカーなど
の形で用いることができる。

また、使用目的によっては２種以上の繊維、形状の異な
った繊維を併用することも可能である。さらに強化繊維
の他にタルク、マイカ、炭酸カルシウム、アルミナ水和
物、炭化ケイ素、カーボンブラック、シリカ等の粒状物
を混用することも樹脂組成物の粘性を改良して複合材料
の成形を容易にしたり、あるいは得られる複合材料の物
性、例えば圧縮強度などを改良するために有効である。

本発明の複合材料の製造法としては従来公知のエポキシ
樹脂をマトリックスとした繊維強化複合材料の製造法等
いずれの方法も採用できる。

−例としてはシート状プリプレグの複数枚を積層してオ
ートクレーブ中で加熱、加圧して複合材料を得る方法が
挙げられる。

ここでいうプリプレグとは強化繊維に該樹脂組成物を含
浸させたものであり、シート状、連続トウ、ストランド
およびヤーンの形またはベレット状の形をとる。シート
状のものでは強化繊維が連続トウが引き揃えられた形、
短繊維がマット状に絡まった形、あるいは織布の形をと
っている。またこれら構造の異なるシートを数枚重ね合
わせた積層シート状プリプレグ、また連続トウプリプレ
グを数本束ねたものも有用な材料である。

これらプリプレグの繊維含有率は一般に５〜７０体積％
、特に１０〜６０体積％が好ましい。

これらプリプレグを重加、または巻きつけること等によ
り所望の形状に賦形した後、加熱、加圧することにより
繊維強化複合材料を得ることができる。また低粘度のポ
リグリシジル誘導体を用いた場合、フィラメントワイン
ディング法において成形性の面で特に有効である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の繊維強化複合材料は優れ
た耐熱性、耐水性、可撓性を有し、また良好な曲げ強度
、曲げ弾性率、層間剪断強度を示し、種々の用途に使用
することができる。

〔実施例〕

実施例　１ エポキシ当量１２０の（Ａ）Ｎ、Ｎ、Ｎ”、Ｎ”−テト
ラグリシジルビス（アミノフェニル）メタン（スミエポ
キシ・ＥＬＭ−４３４（住友化学工業側製〕）８０ｇ、
エポキシ当量１０５のトリグリシジル−４−アミノ−ｍ
−クレゾール２００ｇと４．４’−ジアミノジフェニル
スルホン４２５ｇをメチルエチルケトン１４５０ｇに溶
解させてマトリックス樹脂組成物を固装した０次いで炭
素繊維（マグナマイト・ＡＳ−４（住化バーキュレス■
製）を一方向に引揃えた後、前記樹脂溶液を含浸させ、
１２０℃に５分間乾燥させることにより、プリプレグを
作製した。

この炭素繊維のプリプレグ中から絞り出したエポキシ樹
脂組成物は５０℃で１Ｏ０５ボイズ以下の低粘性を示し
、容易に制御できる低温反応挙動のために容易に適度の
可とう性を有するプリプレグが得られ、１ｇは２６５℃
を示し、ポットライフは２４時間以上であった。。

なお、プリプレグ中の炭素繊維含有率は６０体積％に調
節した。

得られたプリプレグを成形後の炭素繊維含有率が６０体
積％になるようにマツチドダイ金型に仕込み、１６０℃
に加熱された熱プレスで１時間加熱加圧成形し、得られ
た成形体を更に熱風循環オーブン中で１８０℃、４時間
ポストキュアーを行い、完全硬化させて厚み２ｆｆｌＩ
１１の一方向強化炭素繊維強化複合材料成形体（ＣＦＲ
Ｐ板）を得た。

その成形体の熱変形温度は２６０℃であった。

次ぎに得られたＣＦＲＰ板の曲げ強度ならびにＩＬＳＳ
をＡＳＴＭ　Ｄ−７９０ならびにＡＳＴＭ　Ｄ−２３４
４に準拠して測定した。結果を第１表に示す。

比較例　１ エポキシ当量１２０の（Ａ）Ｎ、Ｎ、Ｎ′，Ｎ′−テト
ラグリシジルビス（アミノフェニル）メタン（スミエポ
キシ・Ｉ！ＬＭ−４３４（住友化学工業■製〕）１００
０　ｇ　、　４．４’−ジアミノジフェニルスルホン４
１３ｇをメチルエチルケトン１４５０ｇに溶解させてマ
トリックス樹脂組成物を調製した０次いで実施例１と同
様にしてプリプレグを作製した後、１７０℃で１時間プ
レス成形後１８０℃、４時間ポストキュアーを行い、完
全硬化させて厚み２ｍ−の一方向強化炭素繊維強化複合
材料成形体（ＣＦＲＰ板）を得た。

その成形体の熱変形温度は２４５℃であった。

次ぎに得られたＣＦＲＰ板の曲げ強度ならびにＩＬＳＳ
を実施例１と同一条件で測定した。結果を第２表に示す
。

比較例　２ エポキシ当ｌＬ１２０の（Ａ）Ｎ、Ｎ、Ｎ’　、Ｎ’−
テトラグリシジルビス（アミノフェニル）メタン（スミ
エポキシΦＥＬＭ−４３４（住人化学工業■製））８０
０ｇとエポキシ当量１２０の（スミエポキシΦＥＬＭ−
１２０（住人化学工業■製））と４，４”−ジアミノジ
フェニルスルホン４１３ｇをメチルエチルケトン１４５
０ｇに溶解させてマトリックス樹脂組成物を調製した。

次いで実施例１と同様にしてプリプレグを作製した後、
１７０℃で１時間プレス成形後１８０℃、４時間ボスト
キエアーを行い、完全硬化させて厚み２■の一方向強化
炭素繊維強化複合材料成形体（ＣＦＲＰ板）を得た。

その成形体の熱変形温度は２３０℃であった。

次ぎに得られたＣＰＲＰ板の曲げ強度ならびにＩ　ＬＳ
Ｓを実施例１と同一条件で測定した。結果を第３表に示
す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）（Ａ）Ｎ，Ｎ，Ｎ′，Ｎ′−テトラグリシジルビ
   ス（アミノフェニル）メタンおよび／またはその縮合生
   成物、 （Ｂ）芳香環に少なくとも１個のアルキル基が置換した
   アミノフェノール化合物のポリグリシジル誘導体および
   ／またはその縮合物、および （Ｃ）エポキシ硬化剤 を必須成分とするエポキシ樹脂組成物の硬化物をマトリ
   ックスとし、繊維を強化材としたことを特徴とする耐熱
   性複合材料。
2. （２）アミノフェノール化合物が４−アミノ−ｍ−クレ
   ゾールおよび／または４−アミノ−ｏ−クレゾールであ
   る特許請求の範囲第１項記載の耐熱性複合材料。
3. （３）エポキシ硬化剤がジアミノジフェニルスルホン化
   合物および／またはジアミノジフェニルメタン化合物で
   ある特許請求の範囲第１項記載の耐熱性複合材料。