JPWO2017221542A1 - 繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物および繊維強化複合材料 - Google Patents
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Abstract
本発明は、混合調製後のエポキシ樹脂組成物の低温(40℃)での粘度安定性に優れ、強化繊維への注入時に低粘度を保持し含浸性に優れ、また含浸後に樹脂粘度が適度に上昇することにより樹脂フローを制御した、2液型エポキシ樹脂組成物、およびそれを用いてなる繊維強化複合材料を提供する。本発明の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物は、次の成分[A]〜成分[E]を含み、かつ、成分[A]、成分[B]および成分[C]の合計100質量部に対して、前記の成分[A]の含有量が5〜45質量部であり、前記の成分[B]の含有量が5〜50質量部であり、そして前記の成分[C]の含有量が5〜50質量部である繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物である。・成分[A]:脂環式エポキシ樹脂・成分[B]:脂肪族エポキシ樹脂・成分[C]:ビスフェノール型エポキシ樹脂・成分[D]:酸無水物・成分[E]:第四級アンモニウム塩、第四級ホスホニウム塩およびイミダゾリウム塩からなる群から選ばれた化合物。
Description
本発明は、繊維強化複合材料に用いられる2液型エポキシ樹脂組成物、およびそれを用いてなる繊維強化複合材料に関するものである。
強化繊維とマトリックス樹脂とからなる繊維強化複合材料は、強化繊維とマトリックス樹脂の利点を生かした材料設計ができるため、航空宇宙分野を始め、スポーツ分野および一般産業分野などに用途が拡大されている。
強化繊維としては、ガラス繊維、アラミド繊維、炭素繊維およびボロン繊維などが用いられる。また、マトリックス樹脂としては、熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂のいずれも用いられるが、強化繊維への含浸が容易な熱硬化性樹脂が用いられることが多い。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、ビスマレイミド樹脂およびシアネート樹脂などが用いられる。
繊維強化複合材料の製造には、プリプレグ法、ハンドレイアップ法、フィラメントワインディング法、プルトルージョン法およびRTM(Resin Transfer Molding:樹脂注入成形)法などの方法が適用される。
近年、世界的に自動車の環境規制が厳しくなる中、内外の自動車メーカーは燃費性能を左右する車体の軽量化に取り組んでおり、中でも、質量で鉄の半分、またアルミニウムの7割程度となる炭素繊維複合材料の適用が活発に検討されている。自動車用の各種部材は、軽量化とともに高い剛性と強度特性が求められ、かつ、三次元的な複雑形状を有する場合が多い。
従って、高剛性と高強度な炭素繊維を連続繊維として用い、複雑形状に対応可能なRTM法が有力な成形方法となっている。RTM法とは、下型内に強化繊維からなる基材を配置した後に上型を閉じ、樹脂注入口からマトリックス樹脂を注入し強化繊維に含浸させた後に樹脂を硬化させ、上型を開放して成形品を取り出すことにより、繊維強化複合材料を得る方法である。ここで、自動車への炭素繊維複合材料普及の大きな課題が生産性であり、これが障壁となり、一部の高級車に僅かに採用されるにとどまっている。
ハンドレイアップ法、フィラメントワインディング法、プルトルージョン法およびRTM法では、成形加工性の観点から、2液型エポキシ樹脂組成物が用いられることが多い。2液型エポキシ樹脂組成物とは、エポキシ樹脂を主成分として含む主剤液と、硬化剤を主成分として含む硬化剤液とが、別々の容器に入れられた状態で保存され、使用直前に前記の主剤液と前記の硬化剤液の2液を混合して用いられるエポキシ樹脂組成物のことである。
それに対し、主剤と硬化剤を含め、すべての成分が1つに混合された状態で取り扱われるエポキシ樹脂組成物を1液型エポキシ樹脂組成物という。1液型エポキシ樹脂組成物の場合、保管中にも硬化反応が進行するため冷凍保管が必要となる。また、硬化剤は反応性の低い固形状のものを選択する場合が多く、強化繊維に1液型エポキシ樹脂組成物を含浸させるためには、プレスロールなどを使用して高い圧力で押し込まなくてはならない。
一方、2液型エポキシ樹脂組成物では、主剤液および硬化剤液とも液状のものとすることにより、これらの主剤液と硬化剤液とを混合したエポキシ樹脂組成物も低粘度な液状とすることができるため、強化繊維へ含浸させることが容易になる。また、主剤液と硬化剤液とを別々に保管することができるため、保管条件に特に制限なく長期保管も可能である。
例えば、RTM法において、前記したような高いレベルでの生産性を実現するためには、単に樹脂の硬化時間が短いというばかりでなく、次に挙げる4つの条件(課題)を一挙に満たすものであることが具体的に求められる。1つ目に、混合調製後のエポキシ樹脂組成物が、40℃の低温保持下では長時間粘度の上昇が抑えられ安定である。すなわち、40℃の温度での粘度安定性に優れていることである。2つ目に、強化繊維基材への樹脂注入工程の際、エポキシ樹脂組成物が低粘度であり、かつ注入工程の間、粘度の上昇が抑えられることにより、どのような基材に対しても含浸性に優れていることである。3つ目に、温度120℃付近の中温領域で十分な高速硬化ができることにより、成形設備を簡素化でき副資材等の耐熱性も不要となり、また樹脂自体が着色せずコスト低減と成形体品位が両立することである。4つ目に、成形後の脱型工程の際、樹脂が硬化により十分な剛性に到達しており、歪みを生じることが無くスムーズに脱型でき、更に塗装工程を経ても歪みや変形を生じることがないことである。
これらの課題に対し、主剤に脂環式エポキシ樹脂と2官能以上の液状エポキシ樹脂、2官能以上の反応性希釈剤に酸無水物硬化剤、促進剤を組み合わせた繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物(特許文献1参照。)、主剤に脂環式エポキシ樹脂と特定の分子量の脂肪族エポキシ樹脂と硬化剤を組み合わせ、透明性と柔軟性、剛性のバランスに優れた太陽電池封止材用エポキシ樹脂組成物(特許文献2参照。)、および、脂環式構造を持つエポキシ樹脂に脂環式構造とカルボン酸無水物基とを含有する飽和脂肪族化合物と第四級ホスホニウム塩系硬化促進剤を組み合わせ、光透過性、耐紫外線性、耐熱性に優れる発光ダイオード封止用樹脂組成物(特許文献3参照。)が提案されている。
また別に、硬化剤に酸無水物、促進剤に有機リン化合物を組み合わせたエポキシ樹脂組成物を用いることにより、100℃付近の一定温度条件における、低粘度保持時間と硬化時間のバランスに優れたエポキシ樹脂組成物が提案されている(特許文献4参照。)。
しかしながら、特許文献1〜3で提案の樹脂塑性物材料は、十分に高速硬化できるものではなかった。さらに、特許文献4で提案の樹脂塑性物材料では、硬化時間を短くするべく高温で成形した場合に、硬化物が着色することが課題となっていた。
そこで本発明の目的は、上記従来技術の欠点を改良し、混合調製後のエポキシ樹脂組成物の低温(例えば、40℃)での粘度安定性に優れ、強化繊維への注入時に低粘度を保持し含浸性に優れ、かつ成形時に短時間で硬化し、硬化物の透明性が高く成形体品位が優れた繊維強化複合材料を与える2液型エポキシ樹脂組成物、およびそれを用いてなる繊維強化複合材料を提供することにある。
本発明は、上記の課題を解決せんとするものであり、本発明の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物の一つの態様(本発明1という)は、次のとおりである。
すなわち、本発明の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物は、次の成分[A]〜成分[E]を含み、かつ、成分[A]、成分[B]および成分[C]の合計100質量%に対して、前記の成分[A]の含有量が5〜45質量%であり、前記の成分[B]の含有量が5〜50質量%であり、そして前記の成分[C]の含有量が5〜50質量%の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物である。
・成分[A]:脂環式エポキシ樹脂
・成分[B]:脂肪族エポキシ樹脂
・成分[C]:ビスフェノール型エポキシ樹脂
・成分[D]:酸無水物
・成分[E]:第四級アンモニウム塩、第四級ホスホニウム塩、及びイミダゾリウム塩からなる群から選ばれた化合物。
・成分[A]:脂環式エポキシ樹脂
・成分[B]:脂肪族エポキシ樹脂
・成分[C]:ビスフェノール型エポキシ樹脂
・成分[D]:酸無水物
・成分[E]:第四級アンモニウム塩、第四級ホスホニウム塩、及びイミダゾリウム塩からなる群から選ばれた化合物。
本発明1の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物の好ましい態様によれば、前記の成分[A]は、3,4,3’,4’−ジエポキシビシクロヘキシルである。
また、本発明の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物の別の態様(本発明2という)は、次のとおりである。
すなわち、本発明の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物は、次の成分[a]、成分[C]、成分[D]および成分[E]を含み、かつ、成分[a]および成分[C]の合計100質量%に対して、前記の成分[a]の含有量が15〜70質量%の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物である。
・成分[a]:3,4,3’,4’−ジエポキシビシクロヘキシル
・成分[C]:ビスフェノール型エポキシ樹脂
・成分[D]:酸無水物
・成分[E]:第四級アンモニウム塩、第四級ホスホニウム塩およびイミダゾリウム塩からなる群から選ばれた化合物。
・成分[a]:3,4,3’,4’−ジエポキシビシクロヘキシル
・成分[C]:ビスフェノール型エポキシ樹脂
・成分[D]:酸無水物
・成分[E]:第四級アンモニウム塩、第四級ホスホニウム塩およびイミダゾリウム塩からなる群から選ばれた化合物。
本発明2の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物の好ましい態様によれば、更に成分[B]脂肪族エポキシ樹脂を含むことである。
本発明の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物の好ましい態様によれば、前記の成分[B]は、分子量300以下の脂肪族エポキシ樹脂である。ここで本発明1と本発明2を総称して本発明と略記する場合があり、以降同様である。
本発明の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物の好ましい態様によれば、前記の成分[E]は、第四級ホスホニウムハライドである。
本発明の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物の好ましい態様によれば、前記の成分[E]は、第四級ホスホニウムブロミドである。
本発明の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物の好ましい態様によれば、前記の成分[E]は、テトラフェニルホスホニウムハライドである。
本発明の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物の好ましい態様によれば、前記の成分[A]、成分[B]および成分[C]の合計100質量部に対して、成分[E]の含有量は3〜25質量部であるか、または、成分[a]および成分[C]の合計100質量部に対して、成分[E]の含有量は3〜25質量部である。
本発明の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物の好ましい態様によれば、前記の成分[C]は、ビスフェノールA型エポキシ樹脂である。
本発明の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物の好ましい態様によれば、更に成分[F]強化繊維を含むことである。
本発明の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物の好ましい態様によれば、前記の成分[F]は炭素繊維である。
本発明の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物の好ましい態様によれば、前記の成分[D]は脂環式構造を有する酸無水物である。
また、本発明の繊維強化複合材料は、前記した繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物を硬化して得られる。
本発明によれば、混合調製後のエポキシ樹脂組成物の低温(例えば40℃)での粘度安定性に優れ、強化繊維への注入時に低粘度を保持し、どのような基材に対しても含浸性に優れ、かつ成形時に短時間で硬化し、耐熱性に優れ、透明性が高く成形体品位の優れた繊維強化複合材料を高い生産性で提供することが可能になる繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物が得られる。
また、本発明の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物は、成形時に短時間で硬化し、高品位の繊維強化複合材料を与えるため、RTM法などによって高品位の繊維強化複合材料を高い生産性で提供可能となる。これにより、特に自動車用途への繊維強化複合材料の適用が進み、自動車の更なる軽量化による燃費向上、地球温暖化ガス排出削減への貢献が期待できる。
次に、本発明の繊維強化複合材料用の2液型エポキシ樹脂組成物の望ましい実施の形態について、詳細に説明する。
本発明1の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物は、次の成分[A]〜成分[E]を含み、かつ、成分[A]、成分[B]および成分[C]の合計100質量%に対して、前記の成分[A]の含有量が5〜45質量%であり、前記の成分[B]の含有量が5〜50質量%であり、そして前記の成分[C]の含有量が5〜50質量%である。
・成分[A]:脂環式エポキシ樹脂
・成分[B]:脂肪族エポキシ樹脂
・成分[C]:ビスフェノール型エポキシ樹脂
・成分[D]:酸無水物
・成分[E]:第四級アンモニウム塩、第四級ホスホニウ塩、及びイミダゾリウム塩からなる群から選ばれた化合物。
・成分[A]:脂環式エポキシ樹脂
・成分[B]:脂肪族エポキシ樹脂
・成分[C]:ビスフェノール型エポキシ樹脂
・成分[D]:酸無水物
・成分[E]:第四級アンモニウム塩、第四級ホスホニウ塩、及びイミダゾリウム塩からなる群から選ばれた化合物。
まず、本発明1の上記の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物の各成分について説明する。
[成分[A]:脂環式エポキシ樹脂]
本発明1で用いられる成分[A]は、脂環式エポキシ樹脂である。脂環式エポキシ樹脂とは、分子中に次の化学式
本発明1で用いられる成分[A]は、脂環式エポキシ樹脂である。脂環式エポキシ樹脂とは、分子中に次の化学式
で示されるシクロヘキセンオキシド構造を有するエポキシ樹脂を意味する。
本発明1における成分[A]として用いることができるシクロヘキセンオキシド構造を有する脂環式エポキシ樹脂の例としては、例えば、ビニルシクロヘキセンジオキシド、ジペンテンジオキシド、3,4−エポキシシクロヘキサンカルボン酸3,4−エポキシキクロヘキシルメチル、アジピン酸ビス(3,4−エポキシキクロヘキシルメチル)、ジシクロペンタジエンジオキシド、ビス(2,3−エポキシシクロペンチル)エーテル、ε―カプロラクトン変性3,4―エポキシシクロヘキセニルメチル―3’,4’−エポキシシクロヘキセニルカルボキシレート、エポキシ化ブタンテトラカルボン酸テトラキス―(3―シクロヘキセニルメチル)修飾ε-カプロラクトン、4−ビニルシクロヘキセンジオキシドのオリゴマー、および、3,4,3’,4’−ジエポキシビシクロヘキシルなどが挙げられる。
成分[A]として脂環式エポキシ樹脂を用いることにより、シクロヘキセンオキシド構造が開環して硬化物を形成しても、その中にシクロヘキサン構造が多く存在するため、耐熱性の向上が期待される。また、脂環式エポキシ樹脂の多くは低粘度であり、脂環式エポキシ樹脂を配合することによりエポキシ樹脂組成物そのものの粘度を低く抑えることができ、基材への含浸性向上が期待される。
特に、成分[A]として次の化学式
で示される3,4,3’,4’−ジエポキシビシクロヘキシルを用いることにより、シクロヘキサン構造同士が単結合しているため更なる耐熱性の向上が期待され、また、より低粘度であることからエポキシ樹脂組成物そのものの粘度を低く抑えることができ、基材への含浸性向上が期待される。
[成分[B]:脂肪族エポキシ樹脂]
本発明1で用いられる成分[B]は、脂肪族エポキシ樹脂である。脂肪族エポキシ樹脂とは、水酸基を複数有するアルコールから得られる脂肪族グリシジルエーテルを意味する。
本発明1で用いられる成分[B]は、脂肪族エポキシ樹脂である。脂肪族エポキシ樹脂とは、水酸基を複数有するアルコールから得られる脂肪族グリシジルエーテルを意味する。
本発明1における成分[B]として用いることができる脂肪族エポキシ樹脂の例としては、例えば、エチレングリコールのジグリシジルエーテル、プロピレングリコールのジグリシジルエーテル、1,4−ブタンジオールのジグリシジルエーテル、1,6−ヘキサンジオールのジグリシジルエーテル、ネオペンチルグリコールのジグリシジルエーテル、シクロヘキサンジメタノールのジグリシジルエーテル、グリセリンのジグリシジルエーテル、グリセリンのトリグリシジルエーテル、トリメチロールエタンのジグリシジルエーテル、トリメチロールエタンのトリグリシジルエーテル、トリメチロールプロパンのジグリシジルエーテル、トリメチロールプロパンのトリグリシジルエーテル、ペンタエリスリトールのテトラグリシジルエーテル、ドデカヒドロビスフェノールAのジグリシジルエーテル、および、ドデカヒドロビスフェノールFのジグリシジルエーテルなどが挙げられる。
成分[B]として脂肪族エポキシ樹脂を用いることにより、エポキシ樹脂組成物そのものの粘度を低く抑えることができ、基材への含浸性向上が期待される。含浸性向上の観点から、成分[B]の脂肪族エポキシ樹脂は分子量が300以下の脂肪族エポキシ樹脂であることが好ましく、150以上300以下の脂肪族エポキシ樹脂がより好ましく、170以上260以下の脂肪族エポキシ樹脂が特に好ましい態様である。
本発明1における成分[B]として用いることができる分子量が300以下の脂肪族エポキシ樹脂の例としては、エチレングリコールのジグリシジルエーテル、プロピレングリコールのジグリシジルエーテル、1,4−ブタンジオールのジグリシジルエーテル、1,6−ヘキサンジオールのジグリシジルエーテル、ネオペンチルグリコールのジグリシジルエーテル、シクロヘキサンジメタノールのジグリシジルエーテル、グリセリンのジグリシジルエーテル、グリセリンのトリグリシジルエーテル、トリメチロールエタンのジグリシジルエーテル、トリメチロールエタンのトリグリシジルエーテル、および、トリメチロールプロパンのジグリシジルエーテルのジグリシジルエーテルなどが挙げられる。
なお、本発明2の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物は、成分[B](脂肪族エポキシ樹脂)を含むことも好ましい態様である。
[成分[C]:ビスフェノール型エポキシ樹脂]
本発明1で用いられる成分[C]は、ビスフェノール型エポキシ樹脂である。ビスフェノール型エポキシ樹脂は、水酸基を複数有するフェノールから得られる芳香族グリシジルエーテルの一種であり、ビスフェノールから得られるグリシジルエーテルである。
本発明1で用いられる成分[C]は、ビスフェノール型エポキシ樹脂である。ビスフェノール型エポキシ樹脂は、水酸基を複数有するフェノールから得られる芳香族グリシジルエーテルの一種であり、ビスフェノールから得られるグリシジルエーテルである。
成分[C]としてビスフェノール型エポキシ樹脂を用いることにより、エポキシ樹脂組成物の粘度や、得られる硬化物の耐熱性や弾性率等の力学物性のバランスが優れたものにすることができる。
本発明1における成分[C]のビスフェノール型エポキシ樹脂の例としては、ビスフェノールAのジグリシジルエーテル、ビスフェノールFのジグリシジルエーテル、ビスフェノールADのジグリシジルエーテル、およびビスフェノールSのジグリシジルエーテル等が挙げられる。中でも、ビスフェノールAのジグリシジルエーテルであるビスフェノールA型エポキシ樹脂は、上記の特性のバランスに特に優れていることから、本発明1の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物における成分[C]として特に好ましく用いられる。
成分〔C〕のビスフェノール型エポキシ樹脂は、繰り返し単位数が0〜0.2の範囲内にあることが好ましく、0〜0.1の範囲内にあることがより好ましい態様である。
繰り返し単位数は、次の化学式
で示されるビスフェノール型エポキシ樹脂の化学構造式におけるnに対応する。繰り返し単位数が0.2を上回る場合、エポキシ樹脂組成物の粘度が上昇し強化繊維への含浸性が悪化するとともに、得られる繊維強化複合材料の耐熱性が不十分となる場合がある。
このようなビスフェノール型エポキシ樹脂は、そのエポキシ当量が170〜220の範囲内にあることが好ましく、170〜195の範囲内にあることがより好ましい態様である。エポキシ当量は、通常、上記の繰り返し単位数が大きいほど大きくなり、小さいほど小さくなるという関係にある。エポキシ当量が170を下回る場合、低分子量の不純物が含まれていることがあり、成形時の揮発による表面品位の悪化に繋がる場合がある。また、エポキシ当量が220を上回る場合、エポキシ樹脂組成物の粘度が上昇し強化繊維への含浸性が悪化するとともに、得られる繊維強化複合材料の剛性が不十分となる場合がある。
本発明1の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物において、成分[A]、成分[B]および成分[C]の含有量は、前記の成分[A]、前記の成分[B]および前記の成分[C]の合計100質量%に対して、前記の成分[A]の含有量が5〜45質量%であり、前記の成分[B]の含有量が5〜50質量%であり、前記の成分[C]の含有量が5〜50質量%であることが重要である。
また、本発明2の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物は、次の成分[a]、成分[C]、成分[D]および成分[E]を含み、前記の成分[a]および前記の成分[C]の合計100質量%に対して、前記の成分[a]の含有量が15〜70質量%である。
・成分[a]:3,4,3’,4’−ジエポキシビシクロヘキシル
・成分[C]:ビスフェノール型エポキシ樹脂
・成分[D]:酸無水物
・成分[E]:第四級アンモニウム塩、第四級ホスホニウム塩、及びイミダゾリウム塩からなる群から選ばれた化合物。
・成分[a]:3,4,3’,4’−ジエポキシビシクロヘキシル
・成分[C]:ビスフェノール型エポキシ樹脂
・成分[D]:酸無水物
・成分[E]:第四級アンモニウム塩、第四級ホスホニウム塩、及びイミダゾリウム塩からなる群から選ばれた化合物。
すなわち本発明2は、本発明1の成分[A]として成分[a]3,4,3’,4’−ジエポキシビシクロヘキシルを含み、さらに本発明1の成分〔B〕が任意成分である。また、前述のとおり、本発明2において、成分[a]の含有量は、成分[a]と成分[C]の合計100質量%に対して、15〜70質量%であるが、15〜45質量%であることが好ましく、20〜45質量%であることがより好ましい態様である。
[その他のエポキシ樹脂]
本発明1の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物には、上記の成分[A]〜[C]の他に、本発明の特性を損なわない範囲で、必要に応じて、他のエポキシ樹脂を含有させることができる。また、同様に、本発明2の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物にも、上記の成分[a]および成分[C]の他に、本発明の特性を損なわない範囲で、必要に応じて、他のエポキシ樹脂を含有させることができる。
本発明1の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物には、上記の成分[A]〜[C]の他に、本発明の特性を損なわない範囲で、必要に応じて、他のエポキシ樹脂を含有させることができる。また、同様に、本発明2の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物にも、上記の成分[a]および成分[C]の他に、本発明の特性を損なわない範囲で、必要に応じて、他のエポキシ樹脂を含有させることができる。
成分[A]、成分[a]、成分[B]および成分[C]以外のエポキシ樹脂の例としては、水酸基を複数有するフェノールから得られる芳香族グリシジルエーテル、アミンから得られるグリシジルアミン、およびカルボキシル基を複数有するカルボン酸から得られるグリシジルエステルなどが挙げられる。
芳香族グリシジルエーテルの例としては、フェノールやアルキルフェノール等から得られるノボラックのポリグリシジルエーテル、レゾルシノールのジグリシジルエーテル、ヒドロキノンのジグリシジルエーテル、4,4’−ジヒドロキシビフェニルのジグリシジルエーテル、4,4’−ジヒドロキシ−3,3’,5,5’−テトラメチルビフェニルのジグリシジルエーテル、1,6−ジヒドロキシナフタレンのジグリシジルエーテル、9,9’−ビス(4−ヒドロキシフェニル)フルオレンのジグリシジルエーテル、トリス(p−ヒドロキシフェニル)メタンのトリグリシジルエーテル、テトラキス(p−ヒドロキシフェニル)エタンのテトラグリシジルエーテル、およびビスフェノールAのジグリシジルエーテルと2官能イソシアネートを反応させて得られるオキサゾリドン骨格を有するジグリシジルエーテルなどが挙げられる。
また、グリシジルアミンの例としては、ジグリシジルアニリン、ジグリシジルトルイジン、トリグリシジルアミノフェノール、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン、テトラグリシジルキシリレンジアミンや、これらのハロゲン、アルキル置換体、および水添品などが挙げられる。
また、グリシジルエステルの例としては、フタル酸ジグリシジルエステル、テレフタル酸ジグリシジルエステル、ヘキサヒドロフタル酸ジグリシジルエステル、およびダイマー酸ジグリシジルエステル等が挙げられる。
[成分[D]:酸無水物]
本発明で用いられる成分[D]は、酸無水物である。具体的には、成分[D]はカルボン酸無水物であり、これはエポキシ樹脂の硬化剤として作用する。酸無水物における酸無水物基は、一分子中に4個以下であることが望ましい態様である。
本発明で用いられる成分[D]は、酸無水物である。具体的には、成分[D]はカルボン酸無水物であり、これはエポキシ樹脂の硬化剤として作用する。酸無水物における酸無水物基は、一分子中に4個以下であることが望ましい態様である。
本発明で用いられる成分[D]の酸無水物としては、フタル酸無水物のように、芳香環を有するが脂環式構造を持たない酸無水物が用いられ、また、無水コハク酸のように、芳香環構造と脂環式構造のいずれも持たない酸無水物も用いられるが、低粘度な液状で取り扱いやすく、また硬化物の耐熱性や機械的物性の観点から、脂環式構造を有する酸無水物が好ましく用いられる。成分[D]として好適な脂環式構造を有する酸無水物の中でも、シクロアルカン環またはシクロアルケン環を有する酸無水物が、成分〔D〕としてより好ましく用いられる。
このような脂環式構造を有する酸無水物の具体例としては、例えば、ヘキサヒドロフタル酸無水物、メチルヘキサヒドロフタル酸無水物、メチルジヒドロナジック酸無水物、1,2,4,5−シクロペンタンテトラカルボン酸二無水物、1,2,3,6−テトラヒドロフタル酸無水物、メチル−1,2,3,6−テトラヒドロフタル酸無水物、ナジック酸無水物、メチルナジック酸無水物、ビシクロ[2,2,2]オクト−7−エン−2,3,5,6−テトラカルボン酸二無水物、および4−(2,5−ジオキソテトラヒドロフラン−3−イル)−3−メチル−1,2,5,6−テトラヒドロフタル酸無水物などが挙げられる。
中でも、ヘキサヒドロフタル酸無水物、テトラヒドロフタル酸無水物、ナジック酸無水物およびそれらのアルキル置換タイプから選ばれる酸無水物は、エポキシ樹脂組成物の粘度と、得られる硬化物の耐熱性や、弾性率等の力学物性とのバランスに優れることから、本発明における成分[D]として好ましく用いられる。また、成分[D]として、脂環式構造を有する酸無水物を用いる場合であっても、本発明に係る繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物には、脂環式構造を持たない酸無水物をさらに含有させることができる。
本発明の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物における成分[A]、成分[a]、成分[B]、および成分[C]と成分[D]の含有量の関係は、成分[D]中の酸無水物基の数(H)と、成分[A]、成分[a]、成分[B]、および成分[C]中のエポキシ基の総数(E)の比、H/E比が0.8〜1.1の範囲を満たす配合量であることが好ましく、0.85〜1.05の範囲を満たす配合量であることがより好ましく、0.9〜1.0の範囲を満たす配合量であることがより好ましい態様である。H/E比が0.8を下回る場合、過剰に存在するエポキシ樹脂同士の重合が進み、硬化物の物性の低下を招くことがある。また、H/E比が1.1を上回る場合、過剰に存在する硬化剤成分のために系の反応点の濃度が減少し、反応速度が低下し、十分な高速硬化性を発揮できなくなる場合がある。
[成分[E]:第四級アンモニウム塩、第四級ホスホニウム塩およびイミダゾリウム塩からなる群から選ばれた化合物]
本発明の成分[E]は、第四級アンモニウム塩、第四級ホスホニウム塩およびイミダゾリウム塩からなる群から選ばれた化合物である。これらの化合物は、速硬化性発現のための硬化促進剤として作用する。
本発明の成分[E]は、第四級アンモニウム塩、第四級ホスホニウム塩およびイミダゾリウム塩からなる群から選ばれた化合物である。これらの化合物は、速硬化性発現のための硬化促進剤として作用する。
第四級アンモニウム塩、第四級ホスホニウム塩およびイミダゾリウム塩からなる群から選ばれた化合物を本発明に適用すると、詳細な機構は定かではないが、後述する主剤液と硬化剤液を混合した後の粘度上昇が少なく安定となり、繊維強化複合材料を成形する際に強化繊維基材への含浸性に優れる一方で、硬化反応中後期での反応速度が十分に速く硬化時間を短縮でき、また無色透明の硬化物を得られるという特徴(※)があることを見いだした。
次に、成分[E]として用いられる(i)第四級アンモニウム塩、(ii)第四級ホスホニウム塩、および(iii)イミダゾリウム塩のそれぞれについて、より詳細を述べる。
(i)第四級アンモニウム塩
第四級アンモニウム塩は、上記の特徴(※)に加えて、特に主剤液と硬化剤液を混合した後の常温下での粘度上昇が少ないにもかかわらず、硬化時間が短い傾向があるため、繊維強化複合材料を成形する際に強化繊維基材への含浸性に優れているとともに、高い生産性で繊維強化複合材料を成形することが可能となる。
第四級アンモニウム塩は、上記の特徴(※)に加えて、特に主剤液と硬化剤液を混合した後の常温下での粘度上昇が少ないにもかかわらず、硬化時間が短い傾向があるため、繊維強化複合材料を成形する際に強化繊維基材への含浸性に優れているとともに、高い生産性で繊維強化複合材料を成形することが可能となる。
本発明における成分[E]として用いられる第四級アンモニウム塩の具体例としては、例えば、第四級アンモニウムカチオンとオキソ酸アニオンからなる第四級アンモニウムオキソ酸塩、第四級アンモニウムカチオンと第17族元素のアニオンからなる第四級アンモニウムハライド、および第四級アンモニウムカチオンとホウ素を含むボレートアニオンからなる第四級アンモニウムボレート塩などが挙げられる。
また、前記の第四級アンモニウムオキソ酸塩の例としては、例えば、過塩素酸テトラメチルアンモニウム、テトラメチルアンモニウムサルファート、酢酸テトラメチルアンモニウム、テトラメチルアンモニウム硫酸水素塩、硝酸テトラエチルアンモニウム、過塩素酸テトラエチルアンモニウム、過塩素酸セチルトリメチルアンモニウム、過塩素酸ヘキサデシルトリメチルアンモニウム、過塩素酸テトラブチルアンモニウム、トリ−n−オクチルメチルアンモニウム硫酸水素塩、酢酸テトラブチルアンモニウム、テトラブチルアンモニウム硫酸水素塩、テトラメチルアンモニウムp−トルエンスルホナート、テトラエチルアンモニウムp−トルエンスルホナート、およびサリチル酸テトラブチルアンモニウムなどが挙げられる。
また、前記の第四級アンモニウムハライドの例としては、例えば、テトラメチルアンモニウムクロリド、メチルトリエチルアンモニウムクロリド、テトラエチルアンモニウムクロリド、トリブチルメチルアンモニウムクロリド、デシルトリメチルアンモニウムクロリド、トリメチル−n−オクチルアンモニウムクロリド、ラウリルトリメチルアンモニウムクロリド、ドデシルトリメチルアンモニウムクロリド、トリメチルドデシルアンモニウムクロリド、トリメチルミリスチルアンモニウムクロリド、テトラデシルトリメチルアンモニウムクロリド、トリメチルテトラデシルアンモニウムクロリド、テトラプロピルアンモニウムクロリド、セチルトリメチルアンモニウムクロリド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムクロリド、トリメチルオクタデシルアンモニウムクロリド、トリ−n−オクチルメチルアンモニウムクロリド、ジラウリルジメチルアンモニウムクロリド、テトラブチルアンモニウムクロリド、ジメチルジオクタデシルアンモニウムクロリド、ジメチルジステアリルアンモニウムクロリド、テトラペンチルアンモニウムクロリド、テトラアミルアンモニウムクロリド、フェニルトリメチルアンモニウムクロリド、ベンジルトリメチルアンモニウムクロリド、1,1−ジメチルピペリジニウムクロリド、フェニルベンジルジメチルアンモニウムクロリド、フェニルトリエチルアンモニウムクロリド、ベンジルトリエチルアンモニウムクロリド、ベンジルトリブチルアンモニウムクロリド、テトラメチルアンモニウムブロミド、トリメチルプロピルアンモニウムブロミド、テトラエチルアンモニウムブロミド、ヘキシルトリメチルアンモニウムブロミド、デシルトリメチルアンモニウムブロミド、トリメチル−n−オクチルアンモニウムブロミド、ノニルトリメチルアンモニウムブロミド、ラウリルトリメチルアンモニウムブロミド、テトラプロピルアンモニウムブロミド、ミリスチルトリメチルアンモニウムブロミド、ジデシルジメチルアンモニウムブロミド、ジメチルジオクチルアンモニウムブロミド、セチルトリメチルアンモニウムブロミド、ヘキシルジメチルオクチルアンモニウムブロミド、トリメチルヘプタデシルアンモニウムブロミド、トリメチルオクタデシルアンモニウムブロミド、トリメチルステアリルアンモニウムブロミド、ジドデシルジメチルアンモニウムブロミド、ジメチルジテトラドデシルアンモニウムブロミド、テトラブチルアンモニウムブロミド、セチルエチルジメチルアンモニウムブロミド、エチルヘキサデシルジメチルアンモニウムブロミド、ジメチルジステアリルアンモニウムブロミド、ジヘキサデシルジメチルアンモニウムブロミド、テトラペンチルアンモニウムブロミド、テトラヘキシルアンモニウムブロミド、テトラヘプチルアンモニウムブロミド、テトラ(デシル)アンモニウムブロミド、テトラ−n−オクチルアンモニウムブロミド、フェニルトリメチルアンモニウムブロミド、1−ブチル−1−メチルピロリジニウムブロミド、ベンジルトリメチルアンモニウムブロミド、1−ブチル−1−メチルピペリジニウムブロミド、1−メチル−1−プロピルピペリジニウムブロミド、ベンジルトリエチルアンモニウムブロミド、ベンジルドデシルジメチルアンモニウムブロミド、トリブチルベンジルアンモニウムブロミド、テトラメチルアンモニウムヨージド、エチルトリメチルアンモニウムヨージド、テトラエチルアンモニウムヨージド、エチルトリプロピルアンモニウムヨージド、テトラプロピルアンモニウムヨージド、テトラブチルアンモニウムヨージド、ジメチルジステアリルアンモニウムヨージド、テトラヘキシルアンモニウムヨージド、テトラペンチルアンモニウムヨージド、テトラヘプチルアンモニウムヨージド、テトラ−n−オクチルアンモニウムヨージド、トリメチルフェニルアンモニウムヨージド、トリエチルフェニルアンモニウムヨージド、およびベンジルトリエチルアンモニウムヨージドなどが挙げられる。
さらに、前記の第四級アンモニウムボレート塩の例としては、例えば、テトラメチルアンモニウムテトラフルオロボレート、トリエチルメチルアンモニウムテトラフルオロボレート、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート、セチルトリメチルアンモニウムテトラフルオロボレート、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムテトラフルオロボレート、テトラブチルアンモニウムテトラフルオロボレート、1−エチル−1−メチルピロリジニウムテトラフルオロボレート、およびテトラブチルアンモニウムテトラフェニルボレートなどが挙げられる。
上記の第四級アンモニウム塩の中でも、エポキシ樹脂と硬化剤への溶解性やコストの観点から、第四級アンモニウムハライドが好ましく用いられ、第四級アンモニウムブロミドがより好ましく用いられる。
(ii)第四級ホスホニウム塩
第四級ホスホニウムハライドは、上記の特徴(※)に加えて、含浸性を損なわないレベルで30℃以上60℃以下の温度T1において、全成分混合から10分後の粘度が混合から1分後の粘度の1.5倍以上2.5倍以下で、かつ、混合から20分後の粘度が混合から10分後の粘度の1.0倍以上2.0倍以下という粘度挙動を示し、樹脂のフローをコントロールしやすいことから、本発明における成分[E]として好ましく用いられる。
第四級ホスホニウムハライドは、上記の特徴(※)に加えて、含浸性を損なわないレベルで30℃以上60℃以下の温度T1において、全成分混合から10分後の粘度が混合から1分後の粘度の1.5倍以上2.5倍以下で、かつ、混合から20分後の粘度が混合から10分後の粘度の1.0倍以上2.0倍以下という粘度挙動を示し、樹脂のフローをコントロールしやすいことから、本発明における成分[E]として好ましく用いられる。
昨今、繊維強化複合材料からなる成形体の形状は複雑になっており、それに対応するため金型も複数のパーツに分割が可能になるなど複雑化している。そのため、繊維強化複合材料を成形する際の強化繊維基材への含浸後は、金型のパーツ間の僅かな隙間に樹脂が入り込み、成形体のバリが多くなる可能性があるが、含浸後に樹脂粘度が適度に上昇することにより樹脂フローを制御し、例えば、RTM法では金型のパーツの僅かな隙間に樹脂が入り込みにくくなり成形体のバリを少なくすることができ、フィラメントワインディング法では樹脂の垂れ落ちを低減できる。
本発明における成分[E]として用いられる第四級ホスホニウム塩としては、例えば、第四級ホスホニウムカチオンとオキソ酸アニオンからなる第四級ホスホニウムオキソ酸塩、第四級ホスホニウムカチオンと第17族元素のアニオンからなる第四級ホスホニウムハライド、第四級ホスホニウムカチオンとホウ素を含むボレートアニオンからなる第四級ホスホニウムボレート、および第四級ホスホニウムカチオンとホスファートアニオンからなる第四級ホスホニウムヘキサフルオロホスファートなどが挙げられる。
本発明における成分[E]として用いられる第四級ホスホニウムオキソ酸塩の具体例としては、テトラキス(ヒドロキシメチル)ホスホニウムスルファート、などが挙げられる。
本発明における成分[E]として用いられる第四級ホスホニウムハライドの具体例としては、テトラエチルホスホニウムブロミド、トリブチルメチルホスホニウムヨージド、トリブチル(シアノメチル)ホスホニウムクロリド、テトラキス(ヒドロキシメチル)ホスホニウムクロリド、テトラブチルホスホニウムブロミド、テトラブチルホスホニウムクロリド、トリブチル−n−オクチルホスホニウムブロミド、テトラ−n−オクチルホスホニウムブロミド、トリブチルドデシルホスホニウムブロミド、トリブチルヘキサデシルホスホニウムブロミド、メチルトリフェニルホスホニウムヨージド、メチルトリフェニルホスホニウムブロミド、メチルトリフェニルホスホニウムクロリド、テトラフェニルホスホニウムブロミド、テトラフェニルホスホニウムクロリド、テトラフェニルホスホニウムヨージド、エチルトリフェニルホスホニウムブロミド、エチルトリフェニルホスホニウムヨージド、イソプロピルトリフェニルホスホニウムヨージド、ブチルトリフェニルホスホニウムブロミド、トリフェニルプロピルホスホニウムブロミド、アミルトリフェニルホスホニウムブロミド、ベンジルトリフェニルホスホニウムクロリド、ベンジルトリフェニルホスホニウムブロミド、ヘキシルトリフェニルホスホニウムブロミド、ヘプチルトリフェニルホスホニウムブロミド、トリフェニル(テトラデシル)ホスホニウムブロミド、(1−ナフチルメチル)トリフェニルホスホニウムクロリド、アリルトリフェニルホスホニウムブロミド、アリルトリフェニルホスホニムクロリド、アセトニルトリフェニルホスホニウムクロリド、(ブロモメチル)トリフェニルホスホニウムブロミド、3‐ブロモプロピルトリフェニルホスホニウムブロミド、trans−2−ブテン−1,4−ビス(トリフェニルホスホニウムクロリド)、(tert−ブトキシカルボニルメチル)トリフェニルホスホニウムブロミド、[(1H−ベンゾトリアゾール-1-イル)メチル]トリフェニルホスホニウムクロリド、(クロロメチル)トリフェニルホスホニウムクロリド、(4-カルボキシブチル)トリフェニルホスホニウムブロミド、シンナミルトリフェニルホスホニウムブロミド、シクロプロピルトリフェニルホスホニウムブロミド、(4−クロロベンジル)トリフェニルホスホニウムクロリド、(3−カルボキシプロピル)トリフェニルホスホニウムブロミド、(シアノメチル)トリフェニルホスホニウムクロリド、(2−クロロベンジル)トリフェニルホスホニウムクロリド、2−ジメチルアミノエチルトリフェニルホスホニウムブロミド、2−(1,3−ジオキサン−2−イル)エチルトリフェニルホスホニウムブロミド、2−(1,3−ジオキソラン−2−イル)エチルトリフェニルホスホニウムブロミド、(1,3−ジオキソラン−2−イル)メチルトリフェニルホスホニウムブロミド、(2,4−ジクロロベンジル)トリフェニルホスホニウムクロリド、(3,4−ジメトキシベンジル)トリフェニルホスホニウムブロミド、エトキシカルボニルメチル(トリフェニル)ホスホニウムブロミド、4−エトキシベンジルトリフェニルホスホニウムブロミド、(ホルミルメチル)トリフェニルホスホニウムクロリド、(2−ヒドロキシベンジル)トリフェニルホスホニウムブロミド、(メトキシメチル)トリフェニルホスホニウムクロリド、(N−メチル−N−フェニルアミノ)トリフェニルホスホニウムヨージド、メトキシカルボニルメチル(トリフェニル)ホスホニウムブロミド、(3−メトキシベンジル)トリフェニルホスホニウムクロリド、メチルトリフェニルホスホニウムクロリド、(4−ニトロベンジル)トリフェニルホスホニウムブロミド、フェナシルトリフェニルホスホニウムブロミド、トリフェニルプロパルギルホスホニウムブロミド、2−(トリメチルシリル)エトキシメチルトリフェニルホスホニウムクロリド、(3−トリメチルシリル−2−プロピニル)トリフェニルホスホニウムブロミド、トリブチル(1,3−ジオキソラン−2−イルメチル)ホスホニウムブロミド、およびトリフェニル(2−チエニルメチル)ホスホニウムブロミドなどが挙げられる。
本発明における成分[E]として用いられる第四級ホスホニウムボレートの具体例としては、ジ−tert−ブチルメチルホスホニウムテトラフェニルボラート、ジ−tert−ブチル(メチル)ホスホニウムテトラフルオロボラート、テトラフェニルホスホニウムテトラフェニルボレート、テトラエチルホスホニムテトラフルオロボラート、テトラブチルホスホニウムテトラフルオロボラート、テトラブチルホスホニウムテトラフェニルボラート、トリ−tert−ブチルホスホニウムテトラフェニルボラート、トリ−tert−ブチルホスホニウムテトラフルオロボラート、トリシクロヘキシルホスホニウムテトラフルオロボラート、およびテトラフェニルホスホニウムテトラ−p−トリルボラートなどが挙げられる。
また、本発明における成分[E]として用いられる第四級ホスホニウムホスファートの具体例としては、(7‐アザベンゾトリアゾール‐1‐イルオキシ)トリス(ジメチルアミノ)ホスホニウムヘキサフルオロホスファート、1H−ベンゾトリアゾール‐1‐イルオキシトリス(ジメチルアミノ)ホスホニウムヘキサフルオロホスファート、1H-ベンゾトリアゾール−1−イルオキシトリピロリジノホスホニウムヘキサフルオロホスファート、ブロモトリピロリジノホスホニウムヘキサフルオロホスファート、ブロモトリス(ジメチルアミノ)ホスホニウムヘキサフルオロホスファート、クロロトリピロリジノホスホニウムヘキサフルオロホスファート、テトラエチルホスホニウムヘキサフルオロホスファート、およびテトラブチルホスホニウムヘキサフルオロホスファートなどが挙げられる。
また、本発明における成分[E]として用いられる第四級ホスホニウム塩としては、成分[A]〜[C]や成分[D]への溶解性、コスト、前述の特異的な粘度挙動発現、および硬化物物性の観点から、第四級ホスホニウムハライドが好ましく用いられ、より好ましくは第四級ホスホニウムブロミド、またはテトラフェニルホスホニウムハライドが用いられる。
(iii)イミダゾリウム塩
イミダゾリウム塩は、上記の特徴(※)に加えて、特に主剤液と硬化剤液を混合した後の常温下での粘度上昇が少ないにもかかわらず、硬化時間が短い傾向があるため、繊維強化複合材料を成形する際に強化繊維基材への含浸性に優れるとともに、高い生産性で繊維強化複合材料を成形することが可能となる。
イミダゾリウム塩は、上記の特徴(※)に加えて、特に主剤液と硬化剤液を混合した後の常温下での粘度上昇が少ないにもかかわらず、硬化時間が短い傾向があるため、繊維強化複合材料を成形する際に強化繊維基材への含浸性に優れるとともに、高い生産性で繊維強化複合材料を成形することが可能となる。
本発明における成分[E]として用いられるイミダゾリウム塩の具体例としては、例えば、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムブロミド、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムクロリド、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムクロリド、1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート、1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムテトラクロロフェラート、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムヨージド、1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトリフルオロ(トリフルオロメチル)ボレート、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムトリブロミド、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムチオシアネート、1−ブチル−2,3−ジメチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、1,3−ジメチルイミダゾリウムジメチルホスフェート、1,3−ジメチルイミダゾリウムクロリド、1,3−ジメシチルイミダゾリウムクロリド、1,3−ビス(2,6−ジイソプロピルフェニル)イミダゾリウムクロリド、1,3−ジ(1−アダマンチル)イミダゾリウムテトラフルオロボレート、1,3−ジイソプロピルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、1,3−ジ−tert−ブチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、1,3−ジシクロヘキシルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、1,3−ジシクロヘキシルイミダゾリウムクロリド、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムヨージド、2,3−ジメチル−1−プロピルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、1−デシル−3−メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、1,3−ジメチルイミダゾリウムヨージド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムクロリド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムブロミド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムヨージド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムエチルスルファート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムp−トルエンスルホネート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムジシアナミド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムテトラクロロフェラート、1−エチル−2、3−ジメチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム硫酸水素塩、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムメタンスルホネート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムトリフルオロ(トリフルオロメチル)ボレート、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムアセテート、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムクロリド、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムブロミド、1−ヘキシル−2,3−ジメチルイミダゾリウムヨージド、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、1−(2−ヒドロキシエチル)−3−メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、1−メチル−3−プロピルイミダゾリウム ヨージド、1−メチル−3−n−オクチルイミダゾリウムブロミド、1−メチル−3−n−オクチルイミダゾリウムクロリド、1−メチル−3−n−オクチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート、1−メチル−3−[6−(メチルスルフィニル)ヘキシル]イミダゾリウムp−トルエンスルホネート、1−メチル−3−[6−(メチルチオヘキシル]イミダゾリウムp−トルエンスルホネート、1−メチル−3−n−オクチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホネート、および、1−メチル−3−n−オクチルイミダゾリウムテトラフルオロボレートなどが挙げられる。これらの中でも、エポキシ樹脂と硬化剤への溶解性やコストの観点から、イミダゾリウムハライドが好ましく用いられる。
本発明の好ましい態様で用いられる成分[E]の含有量は、本発明1の場合には、成分[A]、成分[B]および成分[C]の合計100質量部に対して、3〜25質量部であることが好ましく、より好ましくは5〜20質量部である。また、本発明2の場合には、成分[a]および成分[C]の合計100質量部に対して、3〜25質量部であることが好ましく、より好ましくは5〜20質量部である。
成分[E]が3質量部よりも少ない場合、硬化に要する時間が長くなり十分な高速硬化性を発揮できない場合がある。一方、成分[E]が25質量部よりも多い場合、低粘度を維持する時間が短くなり、強化繊維への含浸が困難となる場合がある。成分[D]と成分[E]を適切な配合量で用いることにより、硬化速度向上と低温での粘度安定性の両立をより容易に実現できる。
[2液型エポキシ樹脂組成物の粘度]
本発明の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物は、前記した成分を適正に配合して、40℃の温度における全成分混合から1分後の粘度を65〜150mPa・sにすることが好ましく、65〜130mPa・sにすることがより好ましい態様である。これは、40℃の温度における全成分混合から1分後の粘度を150mPa・s以下とすることにより、成形温度における粘度を低くすることができ、繊維強化複合材料を成形する際に強化繊維基材への注入時間が短くなり、未含浸の原因を低減することができるからである。また、40℃の温度における全成分混合から1分後の粘度を65mPa・s以上とすることにより、成形温度での粘度が低くなりすぎず、繊維強化複合材料を成形する際に強化繊維基材への注入時に空気を巻き込んで生じるピットを防ぐことができ、含浸が不均一になって生じる未含浸領域の発生を防ぐことができるからである。
本発明の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物は、前記した成分を適正に配合して、40℃の温度における全成分混合から1分後の粘度を65〜150mPa・sにすることが好ましく、65〜130mPa・sにすることがより好ましい態様である。これは、40℃の温度における全成分混合から1分後の粘度を150mPa・s以下とすることにより、成形温度における粘度を低くすることができ、繊維強化複合材料を成形する際に強化繊維基材への注入時間が短くなり、未含浸の原因を低減することができるからである。また、40℃の温度における全成分混合から1分後の粘度を65mPa・s以上とすることにより、成形温度での粘度が低くなりすぎず、繊維強化複合材料を成形する際に強化繊維基材への注入時に空気を巻き込んで生じるピットを防ぐことができ、含浸が不均一になって生じる未含浸領域の発生を防ぐことができるからである。
本発明における粘度は、ISO 2884−1(1999)における円錐−平板型回転粘度計を使用した測定方法に基づき、2液型エポキシ樹脂組成物の混合調製直後の粘度を測定することにより求められる。粘度の測定装置としては、例えば、東機産業(株)製のTVE−33H型などを挙げることができる。混合調製直後の粘度とは、混合調製後1分後の粘度である。
[2液型エポキシ樹脂組成物のキュアインデックス]
本発明の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物は、定温保持下での誘電測定で求められるキュアインデックスが90%となる時間をt90としたとき、t90が、次の式(式1)を満たす特定温度T2を有することが好ましい態様である。
・0.5≦t90≦5・・・・・(式1)
(式中、t90は、特定温度T2における測定開始からキュアインデックスが90%に到達する時間(分)を表す)。
本発明の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物は、定温保持下での誘電測定で求められるキュアインデックスが90%となる時間をt90としたとき、t90が、次の式(式1)を満たす特定温度T2を有することが好ましい態様である。
・0.5≦t90≦5・・・・・(式1)
(式中、t90は、特定温度T2における測定開始からキュアインデックスが90%に到達する時間(分)を表す)。
誘電測定は、粘度や弾性率との一義的な対応はとれないが、低粘度液体から高弾性率非晶質固体まで変化する熱硬化性樹脂の硬化プロファイルを求める上で有益である。誘電測定では、熱硬化性樹脂に高周波電界を印加して測定される複素誘電率から計算されるイオン粘度(等価抵抗率)の時間変化から、硬化プロファイルを求める。
誘電測定装置としては、例えば、Holometrix−Micromet社製のMDE−10キュアモニターを使用することができる。測定方法としては、まず、TMS−1インチ型センサーを下面に埋め込んだプログラマブルミニプレスMP2000の下面に、内径が32mmで、厚さが3mmのバイトン製Oリングを設置し、プレスの温度を所定の温度Tに設定する。次に、Oリングの内側にエポキシ樹脂組成物を注ぎ、プレスを閉じてエポキシ樹脂組成物のイオン粘度の時間変化を追跡する。誘電測定は、1、10、100、1000、および10000Hzの各周波数で行い、装置付属のソフトウェア(ユーメトリック)を用いて、周波数非依存のイオン粘度の対数Log(σ)を得る。
硬化所要時間tにおけるキュアインデックスは、次の式(式2)で求められ、キュアインデックスが90%に達する時間をt90とした。
・キュアインデックス={log(αt)−log(αmin)}/{log(αmax)−log(αmin)}×100・・・(式2)
・キュアインデックス:(単位:%)
・αt:時間tにおけるイオン粘度(単位:Ω・cm)
・αmin:イオン粘度の最小値(単位:Ω・cm)
・αmax:イオン粘度の最大値(単位:Ω・cm)。
・キュアインデックス={log(αt)−log(αmin)}/{log(αmax)−log(αmin)}×100・・・(式2)
・キュアインデックス:(単位:%)
・αt:時間tにおけるイオン粘度(単位:Ω・cm)
・αmin:イオン粘度の最小値(単位:Ω・cm)
・αmax:イオン粘度の最大値(単位:Ω・cm)。
誘電測定によるイオン粘度の追跡は、硬化反応が速くても比較的容易である。さらに、イオン粘度は、ゲル化以降も測定が可能であり、硬化の進行とともに増加し、硬化完了に伴って飽和するという性質をもつ。そのため、硬化反応の進行を追跡するために用いることができる。上記のようにイオン粘度の対数を、最小値が0%になり、飽和値(最大値)が100%になるように規格化した数値をキュアインデックスといい、熱硬化性樹脂の硬化プロファイルを記述するために用いられる。硬化時間に関わる指標としてキュアインデックスが90%に到達する時間を用いることにより、短時間で硬化できるために好ましい条件を記述することができる。
後述する成形温度とのバランスを考慮すると、エポキシ樹脂組成物の成形温度(加熱硬化温度)、すなわち、前記の特定温度T2は、100〜140℃の範囲であることが好ましい。特定温度T2の範囲を100〜140℃とすることにより、硬化に要する時間を短縮するのと同時に、脱型後の熱収縮を緩和させることにより、表面品位の良好な繊維強化複合材料を得ることができる。
[2液型エポキシ樹脂組成物の配合]
本発明の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物は、まず、成分[A]、成分[a]、成分[B]および成分[C]を含む主剤液と、成分[D]を主成分(ここでいう主成分とは、硬化剤液中において質量基準で最大量の成分であることを意味する。)として含む硬化剤液とを、それぞれ前記した配合量で配合しておき、使用直前に前記した配合量となるように、主剤液と硬化剤液を混合して得られる。前記した成分[E]は、主剤液と硬化剤液のどちらにも配合することができるが、硬化剤液に含まれることがより好ましい態様である。
本発明の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物は、まず、成分[A]、成分[a]、成分[B]および成分[C]を含む主剤液と、成分[D]を主成分(ここでいう主成分とは、硬化剤液中において質量基準で最大量の成分であることを意味する。)として含む硬化剤液とを、それぞれ前記した配合量で配合しておき、使用直前に前記した配合量となるように、主剤液と硬化剤液を混合して得られる。前記した成分[E]は、主剤液と硬化剤液のどちらにも配合することができるが、硬化剤液に含まれることがより好ましい態様である。
他の配合成分は、主剤液と硬化剤液のどちらに配合することができ、あらかじめどちらかあるいは両方に混合して使用することができる。主剤液と硬化剤液は、混合前に、別々に加温しておくことが好ましく、成形型への注入など、使用の直前にミキサーを用いて混合して2液型エポキシ樹脂組成物を得ることが、樹脂の可使時間の点から好ましい態様である。
[成分[F]:強化繊維]
本発明の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物には、必要に応じ、成分[F]として強化繊維を含有させることができる。成分[F]の強化繊維としては、ガラス繊維、アラミド繊維、炭素繊維およびボロン繊維等が好適に用いられる。中でも、軽量でありながら、強度や弾性率等の力学物性が優れる繊維強化複合材料が得られるという理由から、成分[F]としては炭素繊維が好適に用いられる。
本発明の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物には、必要に応じ、成分[F]として強化繊維を含有させることができる。成分[F]の強化繊維としては、ガラス繊維、アラミド繊維、炭素繊維およびボロン繊維等が好適に用いられる。中でも、軽量でありながら、強度や弾性率等の力学物性が優れる繊維強化複合材料が得られるという理由から、成分[F]としては炭素繊維が好適に用いられる。
強化繊維は、短繊維および連続繊維のいずれも用いることができ、両者を併用することもできる。高Vfの繊維強化複合材料を得るためには、この成分[F]の強化繊維としては、連続繊維が好ましく用いられる。
強化繊維として連続繊維を用いる場合、強化繊維の形態はストランドで用いられることもあるが、強化繊維をマット、織物、ニット、ブレイド、および一方向シート等に加工した強化繊維基材として用いることが好ましい態様である。中でも、繊維強化複合材料の繊維体積含有率Vf(詳細は後述する。)を高くすることが比較的容易であり、かつ取扱い性に優れていることから、織物が好適に用いられる。この場合、織物の充填率は、高い方が高い繊維体積含有率Vfの繊維強化複合材料を得やすい。このため、織物の充填率は、好ましくは0.10〜0.85であり、より好ましくは0.40〜0.85であり、更に好ましくは0.50〜0.85の範囲内である。
ここで、織物の充填率とは、織物の見かけ体積に対する、強化繊維の正味の体積の比であり、次式により求められる。
・W/(1000t・ρf)
(式中、Wは目付(単位:g/m2)、tは厚み(単位:mm)、そしてρfは強化繊維の密度(単位:g/cm3)をそれぞれ表す。)
ここで用いる織物の目付と厚みは、JIS R 7602(1995)に準拠して求められる。
・W/(1000t・ρf)
(式中、Wは目付(単位:g/m2)、tは厚み(単位:mm)、そしてρfは強化繊維の密度(単位:g/cm3)をそれぞれ表す。)
ここで用いる織物の目付と厚みは、JIS R 7602(1995)に準拠して求められる。
[繊維強化複合材料]
本発明の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物と成分[F]である強化繊維を組み合わせ、続いて繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物を硬化させることにより、本発明の繊維強化複合材料が得られる。本発明の繊維強化複合材料の成形方法としては、ハンドレイアップ法、フィラメントワインディング法、プルトルージョン法、RTM(Resin Transfer Molding:樹脂注入成形)法などの、2液型エポキシ樹脂組成物を用いる成形方法が好適に用いられる。これらのうち、生産性や成形体の形状自由度という観点から、特にRTM成形法が好適に用いられる。RTM成形法とは、成形型内に配置した強化繊維基材に樹脂を注入し硬化して強化繊維複合材料を得る成形法である。
本発明の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物と成分[F]である強化繊維を組み合わせ、続いて繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物を硬化させることにより、本発明の繊維強化複合材料が得られる。本発明の繊維強化複合材料の成形方法としては、ハンドレイアップ法、フィラメントワインディング法、プルトルージョン法、RTM(Resin Transfer Molding:樹脂注入成形)法などの、2液型エポキシ樹脂組成物を用いる成形方法が好適に用いられる。これらのうち、生産性や成形体の形状自由度という観点から、特にRTM成形法が好適に用いられる。RTM成形法とは、成形型内に配置した強化繊維基材に樹脂を注入し硬化して強化繊維複合材料を得る成形法である。
次に、RTM成形法を例に、本発明の繊維強化複合材料を製造する方法について説明する。まず、前記したようにして、本発明に係る繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物を得る。本発明の繊維強化複合材料は、加温した前記の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物を、特定温度Tに加熱した成形型内に配置した強化繊維基材に注入して含浸させ、その成形型内で硬化することにより製造されることが好ましい態様である。
繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物を加温する温度は、強化繊維基材への含浸性の点から、2液型エポキシ樹脂組成物の初期粘度と粘度上昇の関係から決められ、好ましくは30〜70℃であり、より好ましくは40〜60℃である。
また、繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物の注入圧力は、通常0.1〜1.0MPaで、型内を真空吸引してエポキシ樹脂組成物を注入するVaRTM(Vacuum Assist Resin Transfer Molding)法も用いることができるが、注入時間と設備の経済性の点から0.1〜0.6MPaであることが好ましい。また、加圧注入を行う場合でも、2液型エポキシ樹脂組成物を注入する前に型内を減圧しておくと、ボイドの発生を抑えることができる。
本発明の繊維強化複合材料において、用いられる強化繊維は、[成分[F]:強化繊維]に述べたとおりである。
[繊維強化複合材料の繊維体積含有率]
本発明の繊維強化複合材料が高い比強度あるいは比弾性率をもつためには、その繊維体積含有率Vfが、好ましくは40〜85%であり、より好ましくは45〜85%の範囲内である。ここで言う、繊維強化複合材料の繊維体積含有率Vfとは、ASTM D3171(1999)に準拠して、下記により定義され、測定される値であり、強化繊維基材に対してエポキシ樹脂組成物が注入され、硬化された後の状態でのものをいう。すなわち、繊維強化複合材料の繊維体積含有率Vfの測定は、繊維強化複合材料の厚みhから、下記の(式3)を用いて表すことができる。
・繊維体積含有率Vf(%)=(Af×N)/(ρf×h)/10 ・・・(式3)
(式中、Afは繊維基材1枚・1m2当たりの質量(g/m2)、Nは繊維基材の積層枚数(枚)、
ρfは強化繊維の密度(g/cm3)、そしてhは繊維強化複合材料(試験片)の厚み(mm)を、それぞれ表す。)
繊維基材1枚・1m2当たりの質量Afや、繊維基材の積層枚数Nおよび強化繊維の密度ρfが明らかでない場合は、JIS K 7075(1991)に基づく燃焼法または硝酸分解法および硫酸分解法のいずれかにより、繊維強化複合材料の繊維体積含有率を測定することができる。この場合に用いられる強化繊維の密度は、JIS R 7603(1999)に基づき測定した値を用いる。
本発明の繊維強化複合材料が高い比強度あるいは比弾性率をもつためには、その繊維体積含有率Vfが、好ましくは40〜85%であり、より好ましくは45〜85%の範囲内である。ここで言う、繊維強化複合材料の繊維体積含有率Vfとは、ASTM D3171(1999)に準拠して、下記により定義され、測定される値であり、強化繊維基材に対してエポキシ樹脂組成物が注入され、硬化された後の状態でのものをいう。すなわち、繊維強化複合材料の繊維体積含有率Vfの測定は、繊維強化複合材料の厚みhから、下記の(式3)を用いて表すことができる。
・繊維体積含有率Vf(%)=(Af×N)/(ρf×h)/10 ・・・(式3)
(式中、Afは繊維基材1枚・1m2当たりの質量(g/m2)、Nは繊維基材の積層枚数(枚)、
ρfは強化繊維の密度(g/cm3)、そしてhは繊維強化複合材料(試験片)の厚み(mm)を、それぞれ表す。)
繊維基材1枚・1m2当たりの質量Afや、繊維基材の積層枚数Nおよび強化繊維の密度ρfが明らかでない場合は、JIS K 7075(1991)に基づく燃焼法または硝酸分解法および硫酸分解法のいずれかにより、繊維強化複合材料の繊維体積含有率を測定することができる。この場合に用いられる強化繊維の密度は、JIS R 7603(1999)に基づき測定した値を用いる。
具体的な繊維強化複合材料の厚みhの測定方法としては、繊維強化複合材料の厚みを正しく測定できる方法であり、JIS K 7072(1991)に記載されているように、JIS B 7502(1994)に規定のマイクロメーターまたはこれと同等以上の精度をもつもので測定する。繊維強化複合材料が複雑な形状をしていて、測定ができない場合には、繊維強化複合材料からサンプル(測定用としてのある程度の形と大きさを有しているサンプル)を切り出して、測定することができる。
本発明の繊維強化複合材料は、軽量でありながら強度や弾性率等の力学特性が優れている。そのため、航空機や宇宙衛星、産業機械、鉄道車両、船舶、および自動車などの構造部材や外板などに好ましく用いられる。また、本発明の繊維強化複合材料は、色調と表面品位にも優れているため、特に自動車外板用途に好ましく用いられる。
次に、実施例により、本発明の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物と繊維強化複合材料について、さらに詳細に説明する。
<樹脂原料>
各実施例の2液型エポキシ樹脂組成物を得るために、次の樹脂原料を用いた。表中のエポキシ樹脂組成物の含有割合の単位は、特に断らない限り「質量部」を意味する。
各実施例の2液型エポキシ樹脂組成物を得るために、次の樹脂原料を用いた。表中のエポキシ樹脂組成物の含有割合の単位は、特に断らない限り「質量部」を意味する。
1.エポキシ樹脂
・“セロキサイド”(登録商標)2021P((株)ダイセル製):脂環式エポキシ樹脂、3,4−エポキシシクロヘキサンカルボン酸3,4−エポキシキクロヘキシルメチル、エポキシ当量137
・“セロキサイド”(登録商標)3000((株)ダイセル製):脂環式エポキシ樹脂、ジペンテンジオキシド、エポキシ当量93.5
・“セロキサイド”(登録商標)8000((株)ダイセル製):脂環式エポキシ樹脂、3,4,3’,4’−ジエポキシビシクロヘキシル、エポキシ当量100
・“HELOXY”TM Modifier 67(HEXION製):脂肪族エポキシ樹脂、1,4−ブタンジオールのジグリシジルエーテル、エポキシ当量130、分子量202
・“HELOXY”TM Modifier 68(HEXION製):脂肪族エポキシ樹脂、ネオペンチルグリコールのジグリシジルエーテル、エポキシ当量135、分子量216
・“HELOXY”TM Modifier 107(HEXION製):脂肪族エポキシ樹脂、シクロヘキサンジメタノールのジグリシジルエーテル、エポキシ当量159、分子量256
・“エポトート”(登録商標)YD−128(新日鉄住金化学(株)製):ビスフェノールA型エポキシ樹脂、エポキシ当量189
・“エポトート”(登録商標)YDF−170(新日鉄住金化学(株)製):ビスフェノールF型エポキシ樹脂、エポキシ当量170。
・“セロキサイド”(登録商標)2021P((株)ダイセル製):脂環式エポキシ樹脂、3,4−エポキシシクロヘキサンカルボン酸3,4−エポキシキクロヘキシルメチル、エポキシ当量137
・“セロキサイド”(登録商標)3000((株)ダイセル製):脂環式エポキシ樹脂、ジペンテンジオキシド、エポキシ当量93.5
・“セロキサイド”(登録商標)8000((株)ダイセル製):脂環式エポキシ樹脂、3,4,3’,4’−ジエポキシビシクロヘキシル、エポキシ当量100
・“HELOXY”TM Modifier 67(HEXION製):脂肪族エポキシ樹脂、1,4−ブタンジオールのジグリシジルエーテル、エポキシ当量130、分子量202
・“HELOXY”TM Modifier 68(HEXION製):脂肪族エポキシ樹脂、ネオペンチルグリコールのジグリシジルエーテル、エポキシ当量135、分子量216
・“HELOXY”TM Modifier 107(HEXION製):脂肪族エポキシ樹脂、シクロヘキサンジメタノールのジグリシジルエーテル、エポキシ当量159、分子量256
・“エポトート”(登録商標)YD−128(新日鉄住金化学(株)製):ビスフェノールA型エポキシ樹脂、エポキシ当量189
・“エポトート”(登録商標)YDF−170(新日鉄住金化学(株)製):ビスフェノールF型エポキシ樹脂、エポキシ当量170。
2.酸無水物
・HN−5500(日立化成(株)製):メチルヘキサヒドロフタル酸無水物
・“カヤハード”(登録商標)MCD(日本化薬(株)製):メチルナジック酸無水物。
・HN−5500(日立化成(株)製):メチルヘキサヒドロフタル酸無水物
・“カヤハード”(登録商標)MCD(日本化薬(株)製):メチルナジック酸無水物。
3.第四級アンモニウム塩、第四級ホスホニウム塩、イミダゾリウム塩
・テトラメチルアンモニウムブロミド(東京化成工業(株)製)
・テトラフェニルホスホニウムブロミド(東京化成工業(株)製)
・エチルトリフェニルホスホニウムブロミド(東京化成工業(株)製)
・テトラフェニルホスホニウムクロリド(東京化成工業(株)製)
・1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムクロリド(東京化成工業(株)製)。
・テトラメチルアンモニウムブロミド(東京化成工業(株)製)
・テトラフェニルホスホニウムブロミド(東京化成工業(株)製)
・エチルトリフェニルホスホニウムブロミド(東京化成工業(株)製)
・テトラフェニルホスホニウムクロリド(東京化成工業(株)製)
・1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムクロリド(東京化成工業(株)製)。
4.その他物質
・メタキシリレンジアミン(東京化成工業(株)製)
・トリ−p−トリルホスフィン(東京化成工業(株)製)
・1,2−ジメチルイミダゾール(四国化成工業(株)製)。
・メタキシリレンジアミン(東京化成工業(株)製)
・トリ−p−トリルホスフィン(東京化成工業(株)製)
・1,2−ジメチルイミダゾール(四国化成工業(株)製)。
<エポキシ樹脂組成物の調製>
表1〜5に記載した配合比により、エポキシ樹脂を配合し主剤液とした。表1〜5に記載した配合比で、成分[D]の各酸無水物と成分[E]の第四級アンモニウム塩、第四級ホスホニウム塩、イミダゾリウム塩、および、その他の物質を配合して硬化剤液とした。これらの主剤液と硬化剤液とを用い、これらを表1〜5に記載した配合比で混合して、エポキシ樹脂組成物を調製した。
表1〜5に記載した配合比により、エポキシ樹脂を配合し主剤液とした。表1〜5に記載した配合比で、成分[D]の各酸無水物と成分[E]の第四級アンモニウム塩、第四級ホスホニウム塩、イミダゾリウム塩、および、その他の物質を配合して硬化剤液とした。これらの主剤液と硬化剤液とを用い、これらを表1〜5に記載した配合比で混合して、エポキシ樹脂組成物を調製した。
<エポキシ樹脂組成物の粘度の測定>
ISO 2884−1(1999)における円錐平板型回転粘度計を使用した測定方法に準拠し、エポキシ樹脂組成物の混合調製後の粘度を測定し、粘度安定性の指標とした。装置には、東機産業(株)製のTVE−33H型を用いた。ここでローターは1゜34’×R24を用い、測定温度は40℃とし、サンプル量は1cm3とした。
ISO 2884−1(1999)における円錐平板型回転粘度計を使用した測定方法に準拠し、エポキシ樹脂組成物の混合調製後の粘度を測定し、粘度安定性の指標とした。装置には、東機産業(株)製のTVE−33H型を用いた。ここでローターは1゜34’×R24を用い、測定温度は40℃とし、サンプル量は1cm3とした。
<誘電測定>
エポキシ樹脂の硬化を追跡するために、誘電測定を行った。誘電測定装置として、Holometrix−Micromet社製のMDE−10キュアモニターを使用した。TMS−1インチ型センサーを下面に埋め込んだプログラマブルミニプレスMP2000の下面に、内径が32mmで、厚さが3mmのバイトン製Oリングを設置し、プレスの温度を120℃に設定し、Oリングの内側にエポキシ樹脂組成物を注ぎプレスを閉じ、エポキシ樹脂組成物のイオン粘度の時間変化を追跡した。誘電測定は、1、10、100、1000および10000Hzの各周波数で行い、付属のソフトウェアを用いて、周波数非依存のイオン粘度の対数Log(α)を得た。
エポキシ樹脂の硬化を追跡するために、誘電測定を行った。誘電測定装置として、Holometrix−Micromet社製のMDE−10キュアモニターを使用した。TMS−1インチ型センサーを下面に埋め込んだプログラマブルミニプレスMP2000の下面に、内径が32mmで、厚さが3mmのバイトン製Oリングを設置し、プレスの温度を120℃に設定し、Oリングの内側にエポキシ樹脂組成物を注ぎプレスを閉じ、エポキシ樹脂組成物のイオン粘度の時間変化を追跡した。誘電測定は、1、10、100、1000および10000Hzの各周波数で行い、付属のソフトウェアを用いて、周波数非依存のイオン粘度の対数Log(α)を得た。
次に、次の(式2)によりキュアインデックスを求め、キュアインデックスが10%と90%に到達する時間t10とt90を求めた。
・キュアインデックス={log(αt)−log(αmin)}/{log(αmax)−log(αmin)}×100 ・・・(式2)
・キュアインデックス:(単位:%)
・αt:時間tにおけるイオン粘度(単位:Ω・cm)
・αmin:イオン粘度の最小値(単位:Ω・cm)
・αmax:イオン粘度の最大値(単位:Ω・cm)。
・キュアインデックス={log(αt)−log(αmin)}/{log(αmax)−log(αmin)}×100 ・・・(式2)
・キュアインデックス:(単位:%)
・αt:時間tにおけるイオン粘度(単位:Ω・cm)
・αmin:イオン粘度の最小値(単位:Ω・cm)
・αmax:イオン粘度の最大値(単位:Ω・cm)。
<樹脂硬化板の作成>
プレス装置下面に、一辺50mmの正方形をくり抜いた、厚さ2mmの銅製スペーサーを設置し、プレスの温度を120℃に設定し、エポキシ樹脂組成物をスペーサーの内側に注ぎ、プレスを閉じた。20分後にプレスを開け、樹脂硬化板を得た。
プレス装置下面に、一辺50mmの正方形をくり抜いた、厚さ2mmの銅製スペーサーを設置し、プレスの温度を120℃に設定し、エポキシ樹脂組成物をスペーサーの内側に注ぎ、プレスを閉じた。20分後にプレスを開け、樹脂硬化板を得た。
<樹脂硬化物のガラス転移温度Tg測定>
樹脂硬化板から約10mgの試験片を切り出し、アルミニウム製サンプルパンに封入し、DSC(Differential Scanning Calorimetry、示差走査熱量分析)装置(パーキン・エルマー社製Diamond DSC)を用いて、Tgの測定を行った。測定条件は、昇温速度10℃/分である。0〜250℃の温度範囲で2回昇温し、2回目の昇温時にベースラインがシフトした温度をTgとした。
樹脂硬化板から約10mgの試験片を切り出し、アルミニウム製サンプルパンに封入し、DSC(Differential Scanning Calorimetry、示差走査熱量分析)装置(パーキン・エルマー社製Diamond DSC)を用いて、Tgの測定を行った。測定条件は、昇温速度10℃/分である。0〜250℃の温度範囲で2回昇温し、2回目の昇温時にベースラインがシフトした温度をTgとした。
<樹脂硬化物の着色>
上記の樹脂硬化板について、着色の有無を判断した。具体的には、樹脂硬化板から切り出した30mm角で、厚さが2mmの試験片を使用し、分光測色計(CM−700d、コニカミノルタ(株)製)を用いて、樹脂硬化物の色調をL*a*b*表色系で表した。L*a*b*表色系は物質の色を表すのに用いられているものでL*で明度を表し、a*とb*で色度を表す。ここで、a*は赤方向、−a*は緑方向、b*は黄方向、−b*は青方向を示す。測定条件は波長380〜780nmの範囲において、D65光源、10°視野、正反射光を含まない条件での分光透過率を測定した。このとき、|a*|≦2であって、かつ|b*|≦5であるものは着色「無し」とし、それ以外を着色「有り」とした。
上記の樹脂硬化板について、着色の有無を判断した。具体的には、樹脂硬化板から切り出した30mm角で、厚さが2mmの試験片を使用し、分光測色計(CM−700d、コニカミノルタ(株)製)を用いて、樹脂硬化物の色調をL*a*b*表色系で表した。L*a*b*表色系は物質の色を表すのに用いられているものでL*で明度を表し、a*とb*で色度を表す。ここで、a*は赤方向、−a*は緑方向、b*は黄方向、−b*は青方向を示す。測定条件は波長380〜780nmの範囲において、D65光源、10°視野、正反射光を含まない条件での分光透過率を測定した。このとき、|a*|≦2であって、かつ|b*|≦5であるものは着色「無し」とし、それ以外を着色「有り」とした。
<繊維強化複合材料の作製>
力学試験用の繊維強化複合材料として、下記のRTM成形法によって作製した繊維強化複合材料を用いた。
力学試験用の繊維強化複合材料として、下記のRTM成形法によって作製した繊維強化複合材料を用いた。
350mm×700mm×2mmの板状キャビティーを持つ金型に、強化繊維として炭素繊維織物CO6343(炭素繊維:T300−3K、織組織:平織、目付:198g/m2、東レ(株)製)をキャビティー内に9枚積層し、プレス装置で型締めを行った。次に、100℃の温度(成形温度)に保持した金型内を、真空ポンプにより、大気圧−0.1MPaに減圧し、あらかじめ50℃の温度に加温しておいたエポキシ樹脂組成物の主剤液と硬化剤液を、樹脂注入機を用いて混合し、0.2MPaの圧力で注入した。エポキシ樹脂組成物の注入開始後20分で金型を開き、脱型して、繊維強化複合材料を得た。
<強化繊維への樹脂含浸性>
上記の繊維強化複合材料の作製の際の樹脂注入工程における含浸性について、繊維強化複合材料中のボイド量を基準に次の3段階で比較評価した。繊維強化複合材料中のボイド量が1%未満と、ボイドが実質的に存在しないものを「A」とし、繊維強化複合材料の外観に樹脂未含浸部分は認められないが、繊維強化複合材料中のボイド量が1%以上であるものを「B」とし、そして繊維強化複合材料の外観に樹脂未含浸部分が認められるものを「C」として、「A」と「B」を合格とした。
上記の繊維強化複合材料の作製の際の樹脂注入工程における含浸性について、繊維強化複合材料中のボイド量を基準に次の3段階で比較評価した。繊維強化複合材料中のボイド量が1%未満と、ボイドが実質的に存在しないものを「A」とし、繊維強化複合材料の外観に樹脂未含浸部分は認められないが、繊維強化複合材料中のボイド量が1%以上であるものを「B」とし、そして繊維強化複合材料の外観に樹脂未含浸部分が認められるものを「C」として、「A」と「B」を合格とした。
繊維強化複合材料中のボイド量は、平滑に研磨した繊維強化複合材料断面を落斜型光学顕微鏡で観察し、繊維強化複合材料中のボイドの面積率から算出した。
<繊維強化複合材料の脱型作業性>
上記の繊維強化複合材料の作製の際の脱型工程における作業性について、次の3段階で比較評価した。金型を開き、繊維強化複合材料をスパチュラで金型から引き剥がす際、抵抗なく簡単に脱型されるものを「A」とし、抵抗はあるものの繊維強化複合材料が塑性変形することなく脱型できるもの(脱型作業に時間を要するため実用上は「A」に劣る)を「B」とし、脱型困難もしくは脱型の際に繊維強化複合材料が塑性変形してしまうものを「C」として、「A」と「B」を合格とした。
上記の繊維強化複合材料の作製の際の脱型工程における作業性について、次の3段階で比較評価した。金型を開き、繊維強化複合材料をスパチュラで金型から引き剥がす際、抵抗なく簡単に脱型されるものを「A」とし、抵抗はあるものの繊維強化複合材料が塑性変形することなく脱型できるもの(脱型作業に時間を要するため実用上は「A」に劣る)を「B」とし、脱型困難もしくは脱型の際に繊維強化複合材料が塑性変形してしまうものを「C」として、「A」と「B」を合格とした。
<繊維強化複合材料のバリ発生抑制について>
上記方法により作製された繊維強化複合材料のバリの発生について、次の3段階で目視により比較評価した。バリが発生しなかったものを「A」とし、僅かに発生したものを「B」とし、全周にわたり発生したものを「C」として、「A」と「B」を合格とした。
上記方法により作製された繊維強化複合材料のバリの発生について、次の3段階で目視により比較評価した。バリが発生しなかったものを「A」とし、僅かに発生したものを「B」とし、全周にわたり発生したものを「C」として、「A」と「B」を合格とした。
表の配合比に従い、前記したようにしてエポキシ樹脂組成物を混合調製し、前記したように粘度測定、誘電測定を行った。また、このエポキシ樹脂組成物で前記した方法で樹脂硬化板を作製し、ガラス転移温度Tg測定、着色評価を行った。さらに、エポキシ樹脂組成物を用いて、前記した方法で繊維強化複合材料を作製した。
(実施例1)
表1に示したように、脂環式エポキシ樹脂「“セロキサイド”(登録商標)2021P」45質量部、脂肪族エポキシ樹脂「“HELOXY”TM Modifier 107」15質量部、およびビスフェノールA型エポキシ樹脂「“エポトート”(登録商標)YD−128」40質量部からなる主剤液と、酸無水物「HN−5500」107質量部にテトラフェニルホスホニウムブロミド12質量部を80℃の温度で加熱して相溶させた硬化剤液とからなるエポキシ樹脂組成物を混合調製した。この実施例1のエポキシ樹脂組成物は、40℃の温度での保持時に、混合調製後10分後までは急な粘度上昇を示し、そこから20分後までは増粘が抑えられ、低粘度状態が維持されていた。また、この実施例1のエポキシ樹脂組成物は、130℃の温度でのt90で表される脱型可能時間が短いため、繊維強化複合材料の成形において、成形時間の短縮にも効果的であることが分かった。また、このエポキシ樹脂組成物の硬化物は、Tgが成形温度(130℃)を上回り、また着色も無く、このエポキシ樹脂組成物を用いて作製した繊維強化複合材料は、金型から取り出す際に変形することなく容易に脱型することができ、また成形体のバリも少なかった。結果を表1に示す。
表1に示したように、脂環式エポキシ樹脂「“セロキサイド”(登録商標)2021P」45質量部、脂肪族エポキシ樹脂「“HELOXY”TM Modifier 107」15質量部、およびビスフェノールA型エポキシ樹脂「“エポトート”(登録商標)YD−128」40質量部からなる主剤液と、酸無水物「HN−5500」107質量部にテトラフェニルホスホニウムブロミド12質量部を80℃の温度で加熱して相溶させた硬化剤液とからなるエポキシ樹脂組成物を混合調製した。この実施例1のエポキシ樹脂組成物は、40℃の温度での保持時に、混合調製後10分後までは急な粘度上昇を示し、そこから20分後までは増粘が抑えられ、低粘度状態が維持されていた。また、この実施例1のエポキシ樹脂組成物は、130℃の温度でのt90で表される脱型可能時間が短いため、繊維強化複合材料の成形において、成形時間の短縮にも効果的であることが分かった。また、このエポキシ樹脂組成物の硬化物は、Tgが成形温度(130℃)を上回り、また着色も無く、このエポキシ樹脂組成物を用いて作製した繊維強化複合材料は、金型から取り出す際に変形することなく容易に脱型することができ、また成形体のバリも少なかった。結果を表1に示す。
(実施例2、3)
脂肪族エポキシ樹脂「“HELOXY”TM Modifier 107」、ビスフェノールA型エポキシ樹脂「“エポトート”(登録商標)YD−128」と、酸無水物「HN−5500」とを、それぞれ表1に示した量としたこと以外は、実施例1と同様に実施した。これらの実施例のエポキシ樹脂組成物は、いずれも混合調製後の粘度上昇とその後の40℃の温度での粘度安定性に優れ、また脱型可能時間が短かった。また、これらのエポキシ樹脂組成物の硬化物は、Tgが成形温度(130℃)を上回り、着色も無かったため、これらのエポキシ樹脂組成物を用いて作製した繊維強化複合材料は、金型から取り出す際に変形することなく容易に脱型することができ、またバリも少なかった。結果を表1に示す。
脂肪族エポキシ樹脂「“HELOXY”TM Modifier 107」、ビスフェノールA型エポキシ樹脂「“エポトート”(登録商標)YD−128」と、酸無水物「HN−5500」とを、それぞれ表1に示した量としたこと以外は、実施例1と同様に実施した。これらの実施例のエポキシ樹脂組成物は、いずれも混合調製後の粘度上昇とその後の40℃の温度での粘度安定性に優れ、また脱型可能時間が短かった。また、これらのエポキシ樹脂組成物の硬化物は、Tgが成形温度(130℃)を上回り、着色も無かったため、これらのエポキシ樹脂組成物を用いて作製した繊維強化複合材料は、金型から取り出す際に変形することなく容易に脱型することができ、またバリも少なかった。結果を表1に示す。
(実施例4、5)
脂環式エポキシ樹脂「“セロキサイド”(登録商標)2021P」、脂肪族エポキシ樹脂「“HELOXY”TM Modifier 68」、ビスフェノールA型エポキシ樹脂「“エポトート”(登録商標)YD−128」、酸無水物「HN−5500」、およびテトラフェニルホスホニウムクロリドを、それぞれ表1に示した量としたこと以外は、実施例1と同様に実施した。これらの実施例のエポキシ樹脂組成物は、いずれも混合調製後の粘度上昇と40℃の温度での粘度安定性に優れ、また脱型可能時間が短かった。また、これらのエポキシ樹脂組成物の硬化物は、Tgが成形温度(130℃)を近傍ではあるが上回り、着色も無かったため、これらのエポキシ樹脂組成物を用いて作製した繊維強化複合材料は、金型から取り出す際に変形することなく容易に脱型することができ(実施例5は若干脱型に時間を要した。)、またバリも少なかった。結果を表1に示す。
脂環式エポキシ樹脂「“セロキサイド”(登録商標)2021P」、脂肪族エポキシ樹脂「“HELOXY”TM Modifier 68」、ビスフェノールA型エポキシ樹脂「“エポトート”(登録商標)YD−128」、酸無水物「HN−5500」、およびテトラフェニルホスホニウムクロリドを、それぞれ表1に示した量としたこと以外は、実施例1と同様に実施した。これらの実施例のエポキシ樹脂組成物は、いずれも混合調製後の粘度上昇と40℃の温度での粘度安定性に優れ、また脱型可能時間が短かった。また、これらのエポキシ樹脂組成物の硬化物は、Tgが成形温度(130℃)を近傍ではあるが上回り、着色も無かったため、これらのエポキシ樹脂組成物を用いて作製した繊維強化複合材料は、金型から取り出す際に変形することなく容易に脱型することができ(実施例5は若干脱型に時間を要した。)、またバリも少なかった。結果を表1に示す。
(実施例6)
脂環式エポキシ樹脂「“セロキサイド”(登録商標)3000」、脂肪族エポキシ樹脂「“HELOXY”TM Modifier 107」、ビスフェノールA型エポキシ樹脂「“エポトート”(登録商標)YD−128」、酸無水物「HN−5500」、およびエチルトリフェニルホスホニウムブロミドを、それぞれ表1に示した量としたこと以外は、実施例1と同様に実施した。本この実施例6のエポキシ樹脂組成物は、混合調製後の粘度上昇と40℃の温度での粘度安定性に優れ、また脱型可能時間が短かった。また、このエポキシ樹脂組成物の硬化物は、Tgが成形温度(130℃)を近傍ではあるが上回り、着色も無かったため、このエポキシ樹脂組成物を用いて作製した繊維強化複合材料は、金型から取り出す際に若干時間を要したものの変形することなく容易に脱型することができ、またバリも少なかった。結果を表1に示す。
脂環式エポキシ樹脂「“セロキサイド”(登録商標)3000」、脂肪族エポキシ樹脂「“HELOXY”TM Modifier 107」、ビスフェノールA型エポキシ樹脂「“エポトート”(登録商標)YD−128」、酸無水物「HN−5500」、およびエチルトリフェニルホスホニウムブロミドを、それぞれ表1に示した量としたこと以外は、実施例1と同様に実施した。本この実施例6のエポキシ樹脂組成物は、混合調製後の粘度上昇と40℃の温度での粘度安定性に優れ、また脱型可能時間が短かった。また、このエポキシ樹脂組成物の硬化物は、Tgが成形温度(130℃)を近傍ではあるが上回り、着色も無かったため、このエポキシ樹脂組成物を用いて作製した繊維強化複合材料は、金型から取り出す際に若干時間を要したものの変形することなく容易に脱型することができ、またバリも少なかった。結果を表1に示す。
(実施例7〜9)
脂環式エポキシ樹脂「“セロキサイド”(登録商標)2021P」、脂肪族エポキシ樹脂「“HELOXY”TM Modifier 68」、ビスフェノールA型エポキシ樹脂「“エポトート”(登録商標)YD−128」、酸無水物「HN−5500」、およびテトラフェニルホスホニウムクロリドを、それぞれ表2に示した量としたこと以外は、実施例4と同様に実施した。これらの実施例のエポキシ樹脂組成物は、いずれも混合調製後の粘度上昇と40℃の温度での粘度安定性に優れ、また脱型可能時間が短かった。また、これらのエポキシ樹脂組成物の硬化物はTgが成形温度(130℃)を上回り、着色も無かったため、これらのエポキシ樹脂組成物を用いて作製した繊維強化複合材料は、金型から取り出す際に変形することなく容易に脱型することができ、またバリも少なかった。結果を表2に示す。
脂環式エポキシ樹脂「“セロキサイド”(登録商標)2021P」、脂肪族エポキシ樹脂「“HELOXY”TM Modifier 68」、ビスフェノールA型エポキシ樹脂「“エポトート”(登録商標)YD−128」、酸無水物「HN−5500」、およびテトラフェニルホスホニウムクロリドを、それぞれ表2に示した量としたこと以外は、実施例4と同様に実施した。これらの実施例のエポキシ樹脂組成物は、いずれも混合調製後の粘度上昇と40℃の温度での粘度安定性に優れ、また脱型可能時間が短かった。また、これらのエポキシ樹脂組成物の硬化物はTgが成形温度(130℃)を上回り、着色も無かったため、これらのエポキシ樹脂組成物を用いて作製した繊維強化複合材料は、金型から取り出す際に変形することなく容易に脱型することができ、またバリも少なかった。結果を表2に示す。
(実施例10)
脂環式エポキシ樹脂「“セロキサイド”(登録商標)2021P」45質量部、脂肪族エポキシ樹脂「“HELOXY”TM Modifier 67」30質量部、およびビスフェノールA型エポキシ樹脂「“エポトート”(登録商標)YD−128」25質量部からなる主剤液と、酸無水物「“カヤハード”(登録商標)MCD」123質量部にテトラメチルアンモニウムブロミド10質量部を80℃の温度で加熱して相溶させた硬化剤液とからなるエポキシ樹脂組成物を混合調製した。この実施例10のエポキシ樹脂組成物は、40℃の温度で保持しても増粘倍率が低く抑えられ、低粘度状態が維持されていた。また、130℃の温度でのt90で表される脱型可能時間が短いため、繊維強化複合材料の成形において、成形時間の短縮にも効果的であることが分かった。また、このエポキシ樹脂組成物の硬化物は、Tgが成形温度(130℃)を上回り、また着色も無かった。このため、このエポキシ樹脂組成物を用いて作製した繊維強化複合材料は、成形品を金型から取り出す際に変形することなく容易に脱型することができた。結果を表2に示す。
脂環式エポキシ樹脂「“セロキサイド”(登録商標)2021P」45質量部、脂肪族エポキシ樹脂「“HELOXY”TM Modifier 67」30質量部、およびビスフェノールA型エポキシ樹脂「“エポトート”(登録商標)YD−128」25質量部からなる主剤液と、酸無水物「“カヤハード”(登録商標)MCD」123質量部にテトラメチルアンモニウムブロミド10質量部を80℃の温度で加熱して相溶させた硬化剤液とからなるエポキシ樹脂組成物を混合調製した。この実施例10のエポキシ樹脂組成物は、40℃の温度で保持しても増粘倍率が低く抑えられ、低粘度状態が維持されていた。また、130℃の温度でのt90で表される脱型可能時間が短いため、繊維強化複合材料の成形において、成形時間の短縮にも効果的であることが分かった。また、このエポキシ樹脂組成物の硬化物は、Tgが成形温度(130℃)を上回り、また着色も無かった。このため、このエポキシ樹脂組成物を用いて作製した繊維強化複合材料は、成形品を金型から取り出す際に変形することなく容易に脱型することができた。結果を表2に示す。
(実施例11)
脂環式エポキシ樹脂「“セロキサイド”(登録商標)2021P」45質量部、脂肪族エポキシ樹脂「“HELOXY”TM Modifier 67」30質量部、およびビスフェノールA型エポキシ樹脂「“エポトート”(登録商標)YD−128」25質量部からなる主剤液と、酸無水物「“カヤハード”(登録商標)MCD」123質量部に1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムクロリド11質量部を80℃の温度で加熱して相溶させた硬化剤液とからなるエポキシ樹脂組成物を混合調製した。この実施例11のエポキシ樹脂組成物は、40℃の温度の温度で保持しても増粘倍率が低く抑えられ、低粘度状態が維持されていた。また、この実施例11のエポキシ樹脂組成物は、130℃の温度でのt90で表される脱型可能時間が短いため、繊維強化複合材料の成形において、成形時間の短縮にも効果的であることが分かった。また、このエポキシ樹脂組成物の硬化物は、Tgが成形温度(130℃)を上回り、また着色も無かった。このため、このエポキシ樹脂組成物を用いて作製した繊維強化複合材料は、成形品を金型から取り出す際に変形することなく容易に脱型することができた。結果を表2に示す。
脂環式エポキシ樹脂「“セロキサイド”(登録商標)2021P」45質量部、脂肪族エポキシ樹脂「“HELOXY”TM Modifier 67」30質量部、およびビスフェノールA型エポキシ樹脂「“エポトート”(登録商標)YD−128」25質量部からなる主剤液と、酸無水物「“カヤハード”(登録商標)MCD」123質量部に1−ブチル−3−メチルイミダゾリウムクロリド11質量部を80℃の温度で加熱して相溶させた硬化剤液とからなるエポキシ樹脂組成物を混合調製した。この実施例11のエポキシ樹脂組成物は、40℃の温度の温度で保持しても増粘倍率が低く抑えられ、低粘度状態が維持されていた。また、この実施例11のエポキシ樹脂組成物は、130℃の温度でのt90で表される脱型可能時間が短いため、繊維強化複合材料の成形において、成形時間の短縮にも効果的であることが分かった。また、このエポキシ樹脂組成物の硬化物は、Tgが成形温度(130℃)を上回り、また着色も無かった。このため、このエポキシ樹脂組成物を用いて作製した繊維強化複合材料は、成形品を金型から取り出す際に変形することなく容易に脱型することができた。結果を表2に示す。
(実施例12)
ビスフェノール型エポキシ樹脂をビスフェノールF型エポキシ樹脂「“エポトート”(登録商標)YDF−170」と、酸無水物「HN−5500」の量を、表2に示した量としたこと以外は、実施例4と同様に実施した。この実施例12のエポキシ樹脂組成物は、混合調製後の粘度上昇と40℃の温度での粘度安定性に優れ、また脱型可能時間が短かった。また、このエポキシ樹脂組成物の硬化物は、Tgが成形温度(130℃)を近傍ではあるが上回り、着色も無かったため、このエポキシ樹脂組成物を用いて作製した繊維強化複合材料は、金型から取り出す際に変形することなく容易に脱型することができ、またバリも少なかった。結果を表2に示す。
ビスフェノール型エポキシ樹脂をビスフェノールF型エポキシ樹脂「“エポトート”(登録商標)YDF−170」と、酸無水物「HN−5500」の量を、表2に示した量としたこと以外は、実施例4と同様に実施した。この実施例12のエポキシ樹脂組成物は、混合調製後の粘度上昇と40℃の温度での粘度安定性に優れ、また脱型可能時間が短かった。また、このエポキシ樹脂組成物の硬化物は、Tgが成形温度(130℃)を近傍ではあるが上回り、着色も無かったため、このエポキシ樹脂組成物を用いて作製した繊維強化複合材料は、金型から取り出す際に変形することなく容易に脱型することができ、またバリも少なかった。結果を表2に示す。
(実施例13)
脂環式エポキシ樹脂「“セロキサイド”(登録商標)8000」45質量部、酸無水物「HN−5500」、およびエチルトリフェニルホスホニウムブロミドを、それぞれ表3に示した量としたこと以外は、実施例1と同様に実施した。この実施例13のエポキシ樹脂組成物は、混合調製後の粘度上昇とその後の40℃の温度での粘度安定性に優れており、また脱型可能時間が短かった。また、このエポキシ樹脂組成物の硬化物は、Tgが成形温度(130℃)を上回り、着色も無かったため、このエポキシ樹脂組成物を用いて作製した繊維強化複合材料は、金型から取り出す際に変形することなく容易に脱型することができ、またバリも少なかった。結果を表3に示す。
脂環式エポキシ樹脂「“セロキサイド”(登録商標)8000」45質量部、酸無水物「HN−5500」、およびエチルトリフェニルホスホニウムブロミドを、それぞれ表3に示した量としたこと以外は、実施例1と同様に実施した。この実施例13のエポキシ樹脂組成物は、混合調製後の粘度上昇とその後の40℃の温度での粘度安定性に優れており、また脱型可能時間が短かった。また、このエポキシ樹脂組成物の硬化物は、Tgが成形温度(130℃)を上回り、着色も無かったため、このエポキシ樹脂組成物を用いて作製した繊維強化複合材料は、金型から取り出す際に変形することなく容易に脱型することができ、またバリも少なかった。結果を表3に示す。
(実施例14〜17)
脂環式エポキシ樹脂「“セロキサイド”(登録商標)8000」、ビスフェノールA型エポキシ樹脂「“エポトート”(登録商標)YD−128」、酸無水物「HN−5500」、およびテトラフェニルホスホニウムブロミドを、それぞれ表3に示した量としたこと以外は、実施例1と同様に実施した。これらの実施例のエポキシ樹脂組成物は、いずれも混合調製後の粘度上昇と40℃の温度での粘度安定性に優れ、また脱型可能時間が短かった。また、これらのエポキシ樹脂組成物の硬化物は、Tgが成形温度(130℃)を上回り、着色も無かったため、これらのエポキシ樹脂組成物を用いて作製した繊維強化複合材料は、金型から取り出す際に変形することなく容易に脱型することができ、またバリも少なかった。結果を表3に示す。
脂環式エポキシ樹脂「“セロキサイド”(登録商標)8000」、ビスフェノールA型エポキシ樹脂「“エポトート”(登録商標)YD−128」、酸無水物「HN−5500」、およびテトラフェニルホスホニウムブロミドを、それぞれ表3に示した量としたこと以外は、実施例1と同様に実施した。これらの実施例のエポキシ樹脂組成物は、いずれも混合調製後の粘度上昇と40℃の温度での粘度安定性に優れ、また脱型可能時間が短かった。また、これらのエポキシ樹脂組成物の硬化物は、Tgが成形温度(130℃)を上回り、着色も無かったため、これらのエポキシ樹脂組成物を用いて作製した繊維強化複合材料は、金型から取り出す際に変形することなく容易に脱型することができ、またバリも少なかった。結果を表3に示す。
(比較例1)
成分[B]の脂肪族エポキシ樹脂を含まず、ビスフェノールA型エポキシ樹脂「“エポトート”(登録商標)YD−128」55質量部と、酸無水物「HN−5500」104質量部としたこと以外は、実施例1と同様に実施した。この比較例1のエポキシ樹脂組成物では、混合調製後の粘度上昇と40℃の温度での粘度安定性に優れているものの、成分[B]を含まないため、本発明の実施例に比べて高粘度であり、強化繊維への樹脂の含浸性が劣った。結果を表4に示す。
成分[B]の脂肪族エポキシ樹脂を含まず、ビスフェノールA型エポキシ樹脂「“エポトート”(登録商標)YD−128」55質量部と、酸無水物「HN−5500」104質量部としたこと以外は、実施例1と同様に実施した。この比較例1のエポキシ樹脂組成物では、混合調製後の粘度上昇と40℃の温度での粘度安定性に優れているものの、成分[B]を含まないため、本発明の実施例に比べて高粘度であり、強化繊維への樹脂の含浸性が劣った。結果を表4に示す。
(比較例2)
脂環式エポキシ樹脂「“セロキサイド”(登録商標)2021P」を50質量部とし、成分[C]ビスフェノール型エポキシ樹脂を含まず、酸無水物「HN−5500」を114質量部としたこと以外は、実施例5と同様に実施した。この比較例2のエポキシ樹脂組成物では、混合調製後の粘度上昇と40℃の温度での粘度安定性に優れるものの、成分[A]が多すぎるとともに、成分[C]を含まないため、本発明の実施例に比べて粘度が低すぎ、繊維強化複合材料を成形する際に強化繊維基材への注入時に空気を巻き込み、含浸が不均一になって未含浸領域が発生し、結果として含浸性が劣った。結果を表4に示す。
脂環式エポキシ樹脂「“セロキサイド”(登録商標)2021P」を50質量部とし、成分[C]ビスフェノール型エポキシ樹脂を含まず、酸無水物「HN−5500」を114質量部としたこと以外は、実施例5と同様に実施した。この比較例2のエポキシ樹脂組成物では、混合調製後の粘度上昇と40℃の温度での粘度安定性に優れるものの、成分[A]が多すぎるとともに、成分[C]を含まないため、本発明の実施例に比べて粘度が低すぎ、繊維強化複合材料を成形する際に強化繊維基材への注入時に空気を巻き込み、含浸が不均一になって未含浸領域が発生し、結果として含浸性が劣った。結果を表4に示す。
(比較例3)
脂肪族エポキシ樹脂「“HELOXY”TM Modifier 68」を55質量部とし、ビスフェノールA型エポキシ樹脂「“エポトート”(登録商標)YD−128」を20質量部とし、酸無水物「HN−5500」116質量部としたこと以外は、実施例4と同様に実施した。この比較例3のエポキシ樹脂組成物では、混合調製後の粘度上昇と40℃の温度での粘度安定性に優れるものの、成分[B]が多すぎるため、本発明の実施例に比べて硬化物のTgが成形温度(130℃)を下回るため、繊維強化複合材料を脱型する際に変形してしまった。結果を表4に示す。
脂肪族エポキシ樹脂「“HELOXY”TM Modifier 68」を55質量部とし、ビスフェノールA型エポキシ樹脂「“エポトート”(登録商標)YD−128」を20質量部とし、酸無水物「HN−5500」116質量部としたこと以外は、実施例4と同様に実施した。この比較例3のエポキシ樹脂組成物では、混合調製後の粘度上昇と40℃の温度での粘度安定性に優れるものの、成分[B]が多すぎるため、本発明の実施例に比べて硬化物のTgが成形温度(130℃)を下回るため、繊維強化複合材料を脱型する際に変形してしまった。結果を表4に示す。
(比較例4)
脂環式エポキシ樹脂「“セロキサイド”(登録商標)2021P」25質量部、脂肪族エポキシ樹脂「“HELOXY”TM Modifier 107」を37質量部、およびビスフェノールA型エポキシ樹脂「“エポトート”(登録商標)YD−128」38質量部からなる主剤液と、硬化剤液に成分[D]と成分[E]を含まず、メタキシレンジアミン21質量部としたこと以外は、実施例1と同様に実施した。この比較例4のエポキシ樹脂組成物では、成分[D]および成分[E]を含まないためエポキシ樹脂組成物の粘度が高く、また増粘倍率が高く粘度の安定性に劣るため、このエポキシ樹脂組成物を用いた繊維強化複合材料成形では、強化繊維への含浸性が劣った。結果を表4に示す。
脂環式エポキシ樹脂「“セロキサイド”(登録商標)2021P」25質量部、脂肪族エポキシ樹脂「“HELOXY”TM Modifier 107」を37質量部、およびビスフェノールA型エポキシ樹脂「“エポトート”(登録商標)YD−128」38質量部からなる主剤液と、硬化剤液に成分[D]と成分[E]を含まず、メタキシレンジアミン21質量部としたこと以外は、実施例1と同様に実施した。この比較例4のエポキシ樹脂組成物では、成分[D]および成分[E]を含まないためエポキシ樹脂組成物の粘度が高く、また増粘倍率が高く粘度の安定性に劣るため、このエポキシ樹脂組成物を用いた繊維強化複合材料成形では、強化繊維への含浸性が劣った。結果を表4に示す。
(比較例5)
脂環式エポキシ樹脂「“セロキサイド”(登録商標)3000」25質量部、脂肪族エポキシ樹脂「“HELOXY”TM Modifier 68」を37質量部、およびビスフェノールA型エポキシ樹脂「“エポトート”(登録商標)YD−128」38質量部からなる主剤液と、硬化剤液に酸無水物「HN−5500」125質量部に、成分[E]の代わりに1,2−ジメチルイミダゾールを10質量部としたこと以外は、実施例1と同様に実施した。この比較例5のエポキシ樹脂組成物では、成分[E]を含まないため、本発明の実施例に比べ40℃の温度での増粘倍率が高く粘度の安定性に劣るため、このエポキシ樹脂組成物を用いた繊維強化複合材料成形では、強化繊維への含浸性が劣り、硬化物が着色していた。結果を表4に示す。
脂環式エポキシ樹脂「“セロキサイド”(登録商標)3000」25質量部、脂肪族エポキシ樹脂「“HELOXY”TM Modifier 68」を37質量部、およびビスフェノールA型エポキシ樹脂「“エポトート”(登録商標)YD−128」38質量部からなる主剤液と、硬化剤液に酸無水物「HN−5500」125質量部に、成分[E]の代わりに1,2−ジメチルイミダゾールを10質量部としたこと以外は、実施例1と同様に実施した。この比較例5のエポキシ樹脂組成物では、成分[E]を含まないため、本発明の実施例に比べ40℃の温度での増粘倍率が高く粘度の安定性に劣るため、このエポキシ樹脂組成物を用いた繊維強化複合材料成形では、強化繊維への含浸性が劣り、硬化物が着色していた。結果を表4に示す。
(比較例6)
脂環式エポキシ樹脂「“セロキサイド”(登録商標)2021P」45質量部、脂肪族エポキシ樹脂「“HELOXY”TM Modifier 68」を30質量部、およびビスフェノールA型エポキシ樹脂「“エポトート”(登録商標)YD−128」25質量部からなる主剤液と、硬化剤液に酸無水物「HN−5500」108質量部に、成分[E]の代わりにトリ−p−トリルホスフィンを10質量部としたこと以外は、実施例1と同様に実施した。この比較例6のエポキシ樹脂組成物では、成分[E]を含まないため、本発明の実施例に比べ硬化時間が長くなっており、また、混合調製後の粘度上昇は発現しなかった。また、硬化物は着色した。このエポキシ樹脂組成物を用いた繊維強化複合材料成形は、成形体に多数のバリが生じ成形体の品位が低下した。結果を表4に示す。
脂環式エポキシ樹脂「“セロキサイド”(登録商標)2021P」45質量部、脂肪族エポキシ樹脂「“HELOXY”TM Modifier 68」を30質量部、およびビスフェノールA型エポキシ樹脂「“エポトート”(登録商標)YD−128」25質量部からなる主剤液と、硬化剤液に酸無水物「HN−5500」108質量部に、成分[E]の代わりにトリ−p−トリルホスフィンを10質量部としたこと以外は、実施例1と同様に実施した。この比較例6のエポキシ樹脂組成物では、成分[E]を含まないため、本発明の実施例に比べ硬化時間が長くなっており、また、混合調製後の粘度上昇は発現しなかった。また、硬化物は着色した。このエポキシ樹脂組成物を用いた繊維強化複合材料成形は、成形体に多数のバリが生じ成形体の品位が低下した。結果を表4に示す。
(比較例7)
成分[A]の脂肪族エポキシ樹脂を含まず、脂肪族エポキシ樹脂「“HELOXY”TM Modifier 107」を50質量部、ビスフェノールA型エポキシ樹脂「“エポトート”(登録商標)YD−128」50質量部、および酸無水物「HN−5500」97質量部としたこと以外は、実施例1と同様に実施した。この比較例7のエポキシ樹脂組成物では、混合調製後の粘度上昇と40℃の温度での粘度安定性に優れるものの、成分[A]を含まないため、本発明の実施例に比べて硬化物のTgが成形温度(130℃)を下回るため、繊維強化複合材料を脱型する際に変形してしまった。結果を表5に示す。
成分[A]の脂肪族エポキシ樹脂を含まず、脂肪族エポキシ樹脂「“HELOXY”TM Modifier 107」を50質量部、ビスフェノールA型エポキシ樹脂「“エポトート”(登録商標)YD−128」50質量部、および酸無水物「HN−5500」97質量部としたこと以外は、実施例1と同様に実施した。この比較例7のエポキシ樹脂組成物では、混合調製後の粘度上昇と40℃の温度での粘度安定性に優れるものの、成分[A]を含まないため、本発明の実施例に比べて硬化物のTgが成形温度(130℃)を下回るため、繊維強化複合材料を脱型する際に変形してしまった。結果を表5に示す。
(比較例8、9)
脂環式エポキシ樹脂「“セロキサイド”(登録商標)8000」、ビスフェノールA型エポキシ樹脂「“エポトート”(登録商標)YD−128」、酸無水物「HN−5500」、およびテトラフェニルホスホニウムブロミドを、それぞれ表5に示した量としたこと以外は、実施例1と同様に実施した。脂環式エポキシ樹脂(3,4,3’,4’−ジエポキシビシクロヘキシル)の少ない比較例8のエポキシ樹脂組成物は、混合調製後の粘度上昇と40℃の温度での粘度安定性に優れているものの、本発明の実施例に比べて高粘度であり、強化繊維への樹脂の含浸性が劣った。また、脂環式エポキシ樹脂(3,4,3’,4’−ジエポキシビシクロヘキシル)の多い比較例9のエポキシ樹脂組成物は、混合調製後の粘度上昇と40℃の温度での粘度安定性に優れているものの、本発明の実施例に比べて粘度が低すぎ、繊維強化複合材料を成形する際に強化繊維基材への注入時に空気を巻き込み、含浸が不均一になって未含浸領域が発生し、結果として含浸性が劣った。結果を表5に示す。
脂環式エポキシ樹脂「“セロキサイド”(登録商標)8000」、ビスフェノールA型エポキシ樹脂「“エポトート”(登録商標)YD−128」、酸無水物「HN−5500」、およびテトラフェニルホスホニウムブロミドを、それぞれ表5に示した量としたこと以外は、実施例1と同様に実施した。脂環式エポキシ樹脂(3,4,3’,4’−ジエポキシビシクロヘキシル)の少ない比較例8のエポキシ樹脂組成物は、混合調製後の粘度上昇と40℃の温度での粘度安定性に優れているものの、本発明の実施例に比べて高粘度であり、強化繊維への樹脂の含浸性が劣った。また、脂環式エポキシ樹脂(3,4,3’,4’−ジエポキシビシクロヘキシル)の多い比較例9のエポキシ樹脂組成物は、混合調製後の粘度上昇と40℃の温度での粘度安定性に優れているものの、本発明の実施例に比べて粘度が低すぎ、繊維強化複合材料を成形する際に強化繊維基材への注入時に空気を巻き込み、含浸が不均一になって未含浸領域が発生し、結果として含浸性が劣った。結果を表5に示す。
以上のように、本発明のエポキシエポキシ樹脂組成物は、繊維強化複合材料の成形に適しており、RTM法などにより、外観と表面品位にも優れた繊維強化複合材料を、生産性良く短時間で得られる。また、本発明のエポキシエポキシ樹脂組成物は、大きな形状の繊維強化複合材料の成形にも優れており、特に自動車部材への適用に好適である。
本発明の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂調製時の作業性に優れ、混合調製後のエポキシ樹脂組成物の低温(例えば40℃)での粘度安定性に優れ、成形時に短時間で硬化し、高品位の繊維強化複合材料を与えるため、RTM法などによって高品位の繊維強化複合材料を高い生産性で提供可能となる。これにより、特に自動車用途への繊維強化複合材料の適用が進み、自動車の更なる軽量化による燃費向上、地球温暖化ガス排出削減への貢献が期待できる。
Claims (14)
- 次の成分[A]〜成分[E]を含み、かつ、成分[A]、成分[B]および成分[C]の合計100質量%に対して、前記成分[A]の含有量が5〜45質量%であり、前記成分[B]の含有量が5〜50質量%であり、そして前記成分[C]の含有量が5〜50質量%であることを特徴とする繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物。
・成分[A]:脂環式エポキシ樹脂
・成分[B]:脂肪族エポキシ樹脂
・成分[C]:ビスフェノール型エポキシ樹脂
・成分[D]:酸無水物
・成分[E]:第四級アンモニウム塩、第四級ホスホニウム塩およびイミダゾリウム塩からなる群から選ばれた化合物。 - 成分[A]が、3,4,3’,4’−ジエポキシビシクロヘキシルである請求項1記載の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物。
- 次の成分[a]、成分[C]、成分[D]および成分[E]を含み、かつ、前記成分[a]および前記成分[C]の合計100質量%に対して、前記成分[a]の含有量が15〜70質量%であることを特徴とする繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物。
・成分[a]:3,4,3’,4’−ジエポキシビシクロヘキシル
・成分[C]:ビスフェノール型エポキシ樹脂
・成分[D]:酸無水物
・成分[E]:第四級アンモニウム塩、第四級ホスホニウム塩およびイミダゾリウム塩からなる群から選ばれた化合物。 - 更に、次の成分[B]を含む請求項3記載の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物。
・成分[B]:脂肪族エポキシ樹脂 - 成分[B]が、分子量300以下の脂肪族エポキシ樹脂である請求項1、2および4のいずれかに記載の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物。
- 成分[E]が、第四級ホスホニウムハライドである請求項1〜5のいずれかに記載の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物。
- 成分[E]が、第四級ホスホニウムブロミドである請求項1〜6のいずれかに記載の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物。
- 成分[E]が、テトラフェニルホスホニウムハライドである請求項1〜7のいずれかに記載の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物。
- 成分[A]、成分[B]および成分[C]の合計100質量部に対して、成分[E]の含有量が3〜25質量部であるか、または、成分[a]および成分[C]の合計100質量部に対して、成分[E]の含有量が3〜25質量部である請求項1〜8のいずれかに記載の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物。
- 成分[C]が、ビスフェノールA型エポキシ樹脂である請求項1〜9のいずれかに記載の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物。
- さらに、次の成分[F]を含む請求項1〜10のいずれかに記載の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物。
・成分[F]:強化繊維 - 成分[F]が、炭素繊維である請求項11記載の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物。
- 成分[D]が、脂環式構造を有する酸無水物である請求項1〜12のいずれかに記載の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物。
- 請求項9〜13のいずれかに記載の繊維強化複合材料用2液型エポキシ樹脂組成物を、硬化してなる繊維強化複合材料。
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