JPS6375034A - 付加硬化型可溶性イミドオリゴマ及びそれを用いた繊維強化複合材料用中間素材 - 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〕 本発明は良好な耐熱性を有し、かつ強化繊維との接着性
の優れた易成形性ポリイミド樹脂に関する。ざらに詳し
くは、可溶性の付加硬化型イミドオリゴマをマトリック
ス樹脂とする耐熱性並びに成形性の優れた繊維強化複合
材料用中間素材に関する。

〔従来の技術〕

近年の航空宇宙機器や電子産業の急速な進歩にともなっ
て耐熱高分子の需要は急速に伸びている。

特に炭素繊維強化複合材料に代表される繊維強化複合材
料の伸展は著しい。これらの重合材料用マトリックス樹
脂としてはエポキシ樹脂が主として使われているが、ポ
リイミド樹脂も優れた耐熱性を有することから、ｉｉｉ
維強化複合材料のマトリックス樹脂として近年注目を集
めている。

ところで、ポリイミド樹脂にはさまざまなタイプの樹脂
が知られているが、繊維強化複合材料のマトリックス樹
脂として使用されているポリイミドは、ポリイミドが有
機溶剤に溶解しないため、当初は、ポリイミドプレポリ
マ（ポリアミック酸）を極性溶剤に溶解したワニスを強
化繊維に含浸し、成形中にイミド化反応を行なわせてい
た（サンペ（ＳＡＭＰＥ　）　、１７、■−Ｂ−Ｅ）　
（１９７２）　）が、この方法では成形中に発生する縮
合水を除去できないため、ボイドのない成形品を作るこ
とはできなかった。

そこで、ポリイミドオリゴマの両末端を付加反応性の基
を有する化合物（一般に末端封止剤と呼ぶ）で封止した
付加硬化型ポリイミドが開発された。〔アプライド　ポ
リマー　シンポジウム（Ａｐｐｌ、　　Ｐｏｌｙｍ、　
　Ｓｙｍｐｏｓｉｏｍ）　、　　２２．　８９　（１９
７３）　　）しかし、この付加硬化型ポリイミドオリゴ
マも有機溶剤に溶解しないため、ポリアミック酸の状態
で極性溶剤に溶解し強化繊維に含浸してプリプレグ化し
た。そのため成形中にイミド化反応に伴う縮合水が生成
するが、反応の後半は末端化合物の付加反応によって硬
化が進行するため、成形性は大幅に向上した。しかし、
用いる極性溶剤が高沸点であるため成形中に溶剤が扱け
にくく、成形品にボイドが発生する。

そこで、成形性をさらに改善することを目的としてＰＭ
Ｒ型ポリイミドが開発された。（サンベ（ＳＡＨＰＥ　
）　、　１７．　Ｉ−Ｂ−７（１９７２）　）これは、
七ツマ−を低沸点溶剤に溶解して、七ツマ−の状態で加
熱溶融し強化繊維に含浸させた後イミド化、付加反応を
行なわせるものである。低沸点溶剤を使用するため、溶
剤は扱けやすくなったが、モノマーａ合物であるため成
形中に多量の縮合水が発生するので、成形性はあまり良
好ではない。さらに、作業性の面では、モノマーそのも
のを取り扱うため、アミン等の毒性が問題となり、使用
できるモノマーの種類が限られてしまう。また、七ツマ
ー混合液を長期間保存しておくとアミック酸が生成し溶
液粘度が高くなるなどの問題点が指摘されていた。

（発明が解決しようとする問題点〕 従って、さらに成形性や作業性をよくするためには、可
溶性の付加硬化型イミドオリゴマが必要である。可溶性
の付加硬化型イミドオリゴマを用いると、成形中に縮合
水が発生しないため、成形性が改善される。また、イミ
ド化過程が省けるため成形サイクルを短くすることがで
きる。さらに、七ツマ−ではアミン等の毒性の問題があ
るが、イミドオリゴマにすると無毒となり取り扱いやす
くなり、溶液で保存しても、反応が進行することなく、
ライフが長くなるなど、マトリックス樹脂として優れて
いる。

ところが一般にイミドオリゴマは溶解性が悪く上記の問
題点を解決でき得るものがなかった。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、イミドオリゴマの主鎖の構造を鋭意検討した
結果、かかる問題点を解決したものである。すなわち、
本発明は、一般式［１］で表わされるｍ、ｍ’型芳香族
ジアミン１種または２種以上と、テトラカルボン酸二無
水物の１種または２種以上から合成されるオリゴマの両
末端を付加硬化型化合物で封止した、有機溶剤可溶性付
加硬化型イミドオリゴマに関するものである。

芳香族ジアミンは、ｍ、ｍ’型がよい。一般式［１１］
あるいは［Ｉ［Ｉ］で示されるような、ｐ、ｐ′型ある
いはｍ、　ｐＪ型芳香族ジアミンを用いた場合は、芳香
族テトラカルボン酸とのイミドオリゴマは、有機溶剤に
不溶である。

（Ｘの範囲は［Ｉコと同じ） ｍ、ｍ’芳香族ジアミンは一種類でもよく、二種類以上
の混合系でもよい。混合するアミンの種類は［Ｉ］に記
載されているものなら、どの組み合せでもよく、組み合
せる場合のモル比は任意である。

テトラカルボン酸は、芳香族でも脂環式でもよい。

芳香族テトラカルボン酸二無水物としては、例えば、ピ
ロメリット酸二無水物、３，３°、４，４−ベンゾフェ
ノンテトラカルボン酸二無水物、３，３°、４，４°−
ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、３．３’、１１
．４゛−ビフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物
、３．３’、／１．４−ビフェニルエーテルテトラカル
ボン酸二無水物、３．３’、４．４−ビフェニルスルフ
ィドテトラカルボン酸二無水物、３，３°、４，４°−
パーフルオロイソプロピリデンジフェニルテトラカルボ
ン酸二無水物、３．３’、４．４’−イソプロピリデン
ジフェニルテトラカルボン酸二無水物等を挙げることが
できる。

また、脂環式カルボン酸としては例えば次に示す化合物
などを挙げることができる。

（ＲＳＲ’　は同一または異なり、Ｈまたは低級アルキ
ル基である。） カルボン酸は、芳香族テトラカルボン酸二無水物おるい
は脂環式テトラカルボン酸二無水物のいずれか一種類で
もよく、芳香族テトラカルボン酸二無水物のみ二種以上
、脂環式テトラカルボン酸二無水物のみ二種類以上、ざ
らには、芳香族テトラカルボン酸二無水物と脂環式テト
ラカルボン酸二無水物をそれぞれ一種類以上からなる混
合系であってもよいが、イミドオリゴマの有機溶剤に対
する溶解性は、芳香族テトラカルボン酸二無水物を用い
るより、脂環式カルボン酸を用いる方が優れている。

末端封止剤としては、アセチル化合物、無水ナジック酸
、無水マレイン酸などいずれでもよいが、成形過程で分
解反応がおこらないことと、比較的低温で反応すること
から、無水マレイン酸やアセデル化合物が好ましい。

上記のような主鎖と末端化合物を組み合せたイミドオリ
ゴマーは一般式［ＩＶ］で表わすことができるが、ここ
でｎの範囲は、Ｑ＜ｎ≦３０．好ましくは０＜ｎ＜２０
．さらに好ましくはＱ＜ｎ≦１０である。ｎが３０より
大きくなると溶剤に不溶になるため、成形上好ましくな
い。

本発明によるイミドオリゴマを溶解する溶剤としては、
ジメチルスルホキシド、ジメチルアセトアミド、ジメチ
ルホルムアミド、Ｎ−メチルピロリドンなどの極性溶剤
が挙げられる。カルボン酸に、脂環式テトラカルボン酸
二無水物を用いたイミドオリゴマでは低沸点の有機溶剤
に対しても溶解するようになり、特に脂環式テトラカル
ボン酸二無ルコールに対する溶解性が非常に良好になる
。

次に、本発明のイミドオリゴマを繊維強化複合材料のマ
トリックス樹脂として使用する場合は、上記の溶剤にイ
ミドオリゴマを溶かして強化繊維に含浸させる方法が望
ましい。さらには、反応性希釈剤などと併用し、無溶剤
の系でホットメルト法によってプリプレグを作成するこ
とも可能でおるが、いずれの方法を採用するかは、中間
素材の成形方法や中間素材に対する要求仕様に合せて任
意に選択することが可能である。

また、本発明による繊維強化複合材料は、強化繊維とし
て炭素繊維、ガラス繊維、有機繊維など通常の繊維強化
複合材料の強化繊維として使用されているものはいずれ
の繊維も使用することができるし、繊維の形態も一方向
に引揃えたもの、織物、編物などのいかなる形態のもの
であってもさしつかえない。ざらに炭素繊維とガラス繊
維あるいは炭素繊維と有機繊維とのハイブリッドでもよ
く、特に制限されない。

（実施例） 以下、本発明を実施例によってさらに詳細に説明するが
、本発明はこれらの実施例によって制限されるものでは
ない。

実施例１ ビス（３−アミノフェノキシフェニル）スルホン１０２
．７０Ｃ１をジメチルアセトアミド約０．４Ｑに溶かし
、３，３°、４，４−ベンゾフェノンテトラカルボン酸
二無水物４３．６Ｃｌを加え、室温で約８時間攪拌した
。次に無水マレイン酸を２０．０００加え、室温で約８
時間攪拌した。生成したアミック酸オリゴマ溶液に、無
水炭酸ナトリウム１１゜０ｇと無水酢酸６５．８ｍｌを
加え、６０°Ｃで５時間反応させイミド化した。イミド
化反応完了後、反応溶液を水に再沈し、水で洗浄後、６
０〜８０℃で一晩真空乾燥した。得られたイミドオリゴ
マは、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、
Ｎ−メチルピロリドンなどの極性溶剤に可溶であった。

比較例１ 芳香族ジアミンとして、ビス（３−アミノフェノキシフ
ェニル）スルホンの代りにビス（４−アミノフェノキシ
フェニル）スルホンを使用する以外は実施例１と全く同
様の方法で合成したイミドオリゴマは、ジメチルアセト
アミド、Ｎ−メチルピロリドンなどの極性溶剤に対して
も不溶であった。

実施例２ １．３−ビス（３−アミノフェノキシ）ベンゼン９１゜
７５Ｑをジメチルアセトアミド０．４αに溶かし、ビシ
クロ［２，２，２］オクト−７−ニンテトラカルボン酸
二無水物５２．５ＣＩを加え室温で約８時間攪拌した。

次に無水マレイン！２０．０ｇを加え室温で約８時間攪
拌した。この溶液に無水炭酸ナトリウム１５．７１ｇと
無水酢酸９３．８Ｃｌを加え６０℃で５時間反応させた
。その侵、水に再沈してよく洗浄し６０〜８０℃で一晩
真空乾燥した。

得られたイミドオリゴマは、ジメチルアセトアミドやＮ
−メチルピロリドンなどの極性溶剤だけでなく、アセト
ンやメタノールなどの有機溶剤にも可溶でめった。

実施例３ ３．３°−ジアミノジフェニルメタン１７６．５９０を
ジメチルアセトアミド０．７ｆｆに溶かし、３゜３−ジ
フェニルエーテルテトラカルボン酸二無水物８２．５６
Ｃｌとビシクロ［２，２，１］へブタンテトラカルボン
酸二無水物７０．４６ＣＩを加え室温で８時間攪拌した
。次に無水マレインｒ！ｉ３０．０ＯＣ＋加え室温で８
時間攪拌した。この溶液に無水炭酸ナトリウム９．０７
０と無水酢酸５３．９ｍｌを加え、６０℃で５時間反応
させた。その復水に再沈し、水で洗浄後６０〜８０℃で
一晩真空乾燥した。得られたイミドオリゴマは、ジメチ
ルアセトアミドやＮ−メチルピロリドンなどの極性有機
溶剤に可溶でおった。また、５％までアセトンに可溶で
あった。

比較例２ ３．３゛−ジアミノジフェニルメタンの代りに、４゜４
−ジアミノジフェニルメタンを用いる以外は実施例３と
全く同様に合成したところ、得られたイミドオリゴマは
、ジメチルアセトアミドなどの極性溶剤にも不溶であっ
た。

実施例４ 実施例２で得られたイミドオリゴマをエタノールに溶か
し、７０℃で暫り攪拌してエタノール含量を１０％以下
まで濃縮してプリプレグ用樹脂を得た。得られたプリプ
レグ用樹脂と東し株式会社製“トレカ”Ｔ４００を用い
てホットメルト法でプリプレグを作成した。プリプレグ
中の樹脂含有量は４１．２％で、炭素繊維は１４６（］
／ｍ２であった。この得られたプリプレグを長さ３０ｃ
ｍ、幅２５ｃｍに切断し、これを６枚積層してオートク
レーブ中で１５０℃で１４−／−に加圧した後、２５０
’Ｃまで昇温して２時間保った。その後２５０°Ｃで６
時間アフターキュアーして成形品を得た。

得られた成形品中の炭素繊維の体積含有量は６０゜２％
でＤＳＣ法で測定したガラス転移温度は２７８℃で良好
な耐熱性を有していることがわかった。

次に得られた成形品からＡＳＴＭ、Ｄ−６３８並びにＤ
−７９０に準じて試験片を切出して引張特性および曲げ
特性の測定を行なったところ、引張強度２３８ｋｑ／關
２、引張弾性率１４．２ｔ／ｍｍ２、曲げ強度１９６ｋ
ｉ／ａ”　、曲げ弾性率１３゜５ｔ／ｍｍ２で優れた機
械特性を示した。また、得られた成形品の断面を光学顕
微鏡でｖＡ察したところ、ボイドは全く検出されなかっ
た。

〔発明の効果〕

本発明による行別溶剤可溶性付加硬化型イミドオリゴマ
を繊維強化複合材料のマトリックス樹脂として用いると
、次のような効果がある。すなわち、イミドオリゴマと
して溶剤に溶かしてプリプレグ用樹脂にできるので、毒
性の心配がないため原料モノマの選択範囲が広く、かつ
プリプレグの作業性が改善される。また、縮合反応が完
結しているため、溶液で長期保存が可能でライフが非常
に長くなる。さらに、成形中に縮合水が発生しないため
、ボイドのない良好な成形品が得られる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）一般式［ I ］で表わされるｍ、ｍ′型芳香族ジ
   アミン１種または２種以上と、テトラカルボン酸二無水
   物の１種または２種以上から合成されるオリゴマの両末
   端を付加硬化型化合物で封止した、有機溶剤可溶性付加
   硬化型イミドオリゴマ。 ▲数式、化学式、表等があります▼［ I ］ Ｘは、−（ＣＨ＿２）＿ｎ−（ｎは１〜４の整数）−Ｏ
   −、−Ｓ−、−ＳＯ＿２−、−ＣＯ−、−ＣＯＮＨ− ▲数式、化学式、表等があります▼（Ｒ、Ｒ′は同一ま
   たは異なり、低級アルキル基、またはフッ素置換型低級
   アルキル基） ▲数式、化学式、表等があります▼、▲数式、化学式、
   表等があります▼ ▲数式、化学式、表等があります▼ （Ｙは、−（ＣＨ＿２）＿ｎ−、−Ｏ−、−Ｓ−、−Ｓ
   Ｏ＿２−、−ＣＯ−、−ＣＯＮＨ−、▲数式、化学式、
   表等があります▼（ｎ、Ｒ、Ｒ′は上と同じ）
2. （２）一般式［ I ］で表わされるｍ、ｍ′型芳香族ジ
   アミン１種または２種以上と、テトラカルボン酸二無水
   物の１種または２種以上から合成されるオリゴマの両末
   端を付加硬化型化合物で封止した、有機溶剤可溶性付加
   硬化型イミドオリゴマを含浸させたことを特徴とする繊
   維強化複合材料用中間素材。 ▲数式、化学式、表等があります▼［ I ］ Ｘは、−（ＣＨ＿２）＿ｎ−（ｎは１〜４の整数）−Ｏ
   −、−Ｓ−、−ＳＯ＿２−、−ＣＯ−、−ＣＯＮＨ− ▲数式、化学式、表等があります▼（Ｒ、Ｒ′は同一ま
   たは異なり、低級アルキル基、またはフッ素置換型低級
   アルキル基） ▲数式、化学式、表等があります▼、▲数式、化学式、
   表等があります▼ ▲数式、化学式、表等があります▼ （Ｙは、−（ＣＨ＿２）＿ｎ−、−Ｏ−、−Ｓ−、−Ｓ
   Ｏ＿２−、−ＣＯ−、−ＣＯＮＨ−、 ▲数式、化学式、表等があります▼（ｎ、Ｒ、Ｒ′は上
   と同じ）