KR101900640B1 - 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물 및 섬유 강화 복합재료 - Google Patents

섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물 및 섬유 강화 복합재료 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 혼합 제조 후의 에폭시 수지 조성물의 저온(40℃)에서의 점도 안정성이 우수하고, 강화 섬유로의 주입 시에 저점도를 유지해 함침성이 우수하고, 또한 함침 후에 수지 점도가 적절하게 상승함으로써 수지 플로우를 제어하고, 예를 들어, 성형체의 버를 적게 할 수 있고, 또한 성형 시에 단시간에 경화하고, 경화물의 투명성이 높아 성형체 품위가 우수한 섬유 강화 복합재료를 부여하는 2액형 에폭시 수지 조성물 및 그것을 사용하여 이루어지는 섬유 강화 복합재료를 제공하는 것을 과제로 한다. 본 발명의 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물은 다음 성분 [A] 내지 성분 [C]를 포함하고, 성분 [C]의 함유량이 성분 [A] 100질량부에 대하여 6 내지 25질량부인, 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물이며, 본 발명의 섬유 강화 복합재료는, 상기한 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물과 강화 섬유를 조합하고, 경화시켜서 이루어지는 섬유 강화 복합재료이다. [A]: 에폭시 수지 [B]: 산 무수물 [C]: 4급 암모늄염 또는 4급 포스포늄 할라이드 또는 이미다졸륨염

Description

섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물 및 섬유 강화 복합재료
본 발명은 섬유 강화 복합재료에 사용되는 2액형 에폭시 수지 조성물 및 그것을 사용하여 이루어지는 섬유 강화 복합재료에 관한 것이다.
강화 섬유와 매트릭스 수지를 포함하는 섬유 강화 복합재료는 강화 섬유와 매트릭스 수지의 이점을 살린 재료 설계를 할 수 있기 때문에, 항공 우주 분야를 비롯하여, 스포츠 분야 및 일반 산업 분야 등으로 용도가 확대되고 있다.
강화 섬유로서는 유리 섬유, 아라미드 섬유, 탄소 섬유 및 보론 섬유 등이 사용된다. 또한, 매트릭스 수지로서는 열경화성 수지 및 열가소성 수지가 모두 사용되지만, 강화 섬유로의 함침이 용이한 열경화성 수지가 사용되는 경우가 많다. 열경화성 수지로서는, 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 비닐 에스테르 수지, 페놀 수지, 비스말레이미드 수지 및 시아네이트 수지 등이 사용된다.
섬유 강화 복합재료의 제조에는 프리프레그법, 핸드레이업법, 필라멘트 와인딩법, 풀트루전(pultrusion)법 및 RTM(Resin Transfer Molding: 수지 주입 성형)법 등의 방법이 적용된다.
근년, 세계적으로 자동차의 환경 규제가 엄격해지는 가운데 내외의 자동차 메이커는 연비 성능을 좌우하는 차체의 경량화에 주력하고 있고, 그 중에서도, 질량에서 철의 절반, 또한 알루미늄의 7할 정도가 되는 탄소 섬유 복합재료의 적용이 활발하게 검토되고 있다. 자동차용 각종 부재는 경량화와 함께 높은 강성과 강도 특성이 요구되고, 또한 삼차원적인 복잡 형상을 갖는 경우가 많다.
따라서, 고강성과 고강도인 탄소 섬유를 연속 섬유로서 사용하고, 복잡 형상에 대응 가능한 RTM법이 유력한 성형 방법이 되고 있다. RTM법이란, 하형(下型) 내에 강화 섬유를 포함하는 기재를 배치한 후에 상형(上型)을 폐쇄하고, 수지 주입구로부터 매트릭스 수지를 주입해 강화 섬유에 함침시킨 후에 수지를 경화시키고, 상형을 개방해서 성형품을 꺼냄으로써 섬유 강화 복합재료를 얻는 방법이다. 여기서, 자동차에 탄소 섬유 복합재료를 보급하는 데 있어 큰 과제가 생산성이며, 이것이 장벽이 되어 일부 고급차에 약간 채용되는 데 그치고 있다.
핸드레이업법, 필라멘트 와인딩법, 풀트루전법 및 RTM법에서는, 성형 가공성의 관점에서, 2액형 에폭시 수지 조성물이 사용되는 경우가 많다. 2액형 에폭시 수지 조성물이란, 에폭시 수지를 주성분으로서 함유하는 주제액과, 경화제를 주성분으로서 함유하는 경화제액이, 별개의 용기에 넣어진 상태로 보존되고, 사용 직전에 주제액과 경화제액의 2액을 혼합해서 사용되는 에폭시 수지 조성물이다.
그것에 대해 주제와 경화제를 함유하고, 모든 성분이 하나로 혼합된 상태로 취급되는 에폭시 수지 조성물을 1액형 에폭시 수지 조성물이라고 한다. 1액형 에폭시 수지 조성물의 경우, 보관 중에도 경화 반응이 진행하기 때문에 냉동 보관이 필요해진다. 또한, 경화제는 반응성이 낮은 고형상의 것을 선택하는 경우가 많아, 강화 섬유에 1액형 에폭시 수지 조성물을 함침시키기 위해서는, 프레스 롤 등을 사용해서 높은 압력에서 압입해야만 한다.
한편, 2액형 에폭시 수지 조성물에서는, 주제액 및 경화제액도 액상의 것으로 함으로써, 이들 주제액과 해당 경화제액을 혼합한 에폭시 수지 조성물도 저점도의 액상으로 할 수 있기 때문에, 강화 섬유에 함침시키는 것이 용이해진다. 또한, 주제액과 경화제액을 별개로 보관할 수 있기 때문에, 보관 조건에 특별히 제한없이 장기 보관도 가능하다.
예를 들어, RTM법에 있어서, 상기한 바와 같은 높은 레벨에서의 생산성을 실현하기 위해서는, 단순히 수지의 경화 시간이 짧다고 하는 것뿐만 아니라, 다음에 예로 드는 4개의 조건(과제)을 한 번에 충족할 것이 구체적으로 요구된다. 첫 번째로, 혼합 제조 후의 에폭시 수지 조성물이 40℃의 저온 유지 하에서는 장시간 점도의 상승이 억제되어 안정한, 즉 40℃에서의 점도 안정성이 우수할 것이다. 두 번째로, 강화 섬유 기재로의 수지 주입 공정 시, 에폭시 수지 조성물이 저점도이며, 또한 주입 공정 중, 점도의 상승이 억제됨으로써 함침성이 우수할 것이다. 세 번째로, 온도 120℃ 부근의 중온 영역에서 충분한 고속 경화가 가능함으로써, 성형 설비를 간소화할 수 있고 부자재 등의 내열성도 불필요해지고, 또한 수지 자체가 착색되지 않아 비용 절감과 성형체 품위가 양립할 것이다. 네 번째로, 성형 후의 탈형 공정 시, 수지가 경화에 의해 충분한 강성에 도달해, 왜곡을 발생하지 않고 원활하게 탈형할 수 있고, 또한 도장 공정을 거쳐도 왜곡이나 변형을 발생하는 일이 없을 것이다.
이들 과제에 대하여, 경화제에 산 무수물, 촉진제에 암모늄 유기산염을 조합한, 중온 속경화성을 가지고 금속 부식성이 없는 광학 용도용 에폭시 수지 조성물(특허문헌 1)이나, 경화제에 산 무수물, 촉진제에 4급 포스포늄염을 조합하여, 가열 경화 시의 착색을 억제한 에폭시 수지 조성물(특허문헌 2), 지환식 에폭시에 비방향족계 산 무수물계 경화제, 4급 포스포늄 양이온과 유기 술폰산 음이온과의 염을 촉진제로 하여, 내자외선성, 내열황변성이 우수한 에폭시 수지 조성물(특허문헌 3)이 개시되어 있다.
또한, 경화제에 산 무수물, 촉진제에 유기 인 화합물을 조합한 에폭시 수지 조성물을 사용함으로써 100℃ 부근의 일정 온도 조건에서의, 저점도 유지 시간과 경화 시간의 밸런스가 우수한 에폭시 수지 조성물이 개시되어 있다(특허문헌 4).
일본 특허 공개 평6-256473호 공보 일본 특허 공개 제2006-206862호 공보 일본 특허 공개 제2010-106131호 공보 국제 공개 2007/125759호 팸플릿
특허문헌 1 내지 3에 기재된 재료는 충분히 고속 경화할 수 있는 것이 아니었다. 특허문헌 4에 기재되는 재료에서는, 경화 시간을 짧게 해야해서 고온에서 성형했을 경우에, 경화물이 착색되는 것이 문제가 되었다.
따라서 본 발명의 목적은, 상기 종래 기술의 결점을 개량하고, 혼합 제조 후의 에폭시 수지 조성물의 저온(예를 들어, 40℃)에서의 점도 안정성이 우수하고, 강화 섬유로의 주입 시에 저점도를 유지해 함침성이 우수하고, 또한 성형 시에 단시간에 경화하고, 경화물의 투명성이 높아 성형체 품위가 우수한 섬유 강화 복합재료를 부여하는 2액형 에폭시 수지 조성물 및 그것을 사용하여 이루어지는 섬유 강화 복합재료를 제공하는 데 있다.
본 발명은 상기한 과제를 해결하려고 하는 것이며, 본 발명의 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물의 일 형태(본 발명 1이라고 함)는 다음 성분 [A] 내지 성분 [C]를 포함하고, 성분 [C]의 함유량이 성분 [A] 100질량부에 대하여 6 내지 25질량부인, 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물이다.
성분 [A]: 에폭시 수지
성분 [B]: 산 무수물
성분 [C]: 4급 암모늄염 또는 4급 포스포늄 할라이드 또는 이미다졸륨염
본 발명 1의 섬유 강화 복합재료용 2액형 수지 조성물의 바람직한 형태에 의하면, 상기한 성분 [C]는 4급 암모늄 할라이드이다.
본 발명 1의 섬유 강화 복합재료용 2액형 수지 조성물의 바람직한 형태에 의하면, 상기한 성분 [C]는 4급 포스포늄 브로마이드이다.
본 발명 1의 섬유 강화 복합재료용 2액형 수지 조성물의 바람직한 형태에 의하면, 상기한 성분 [C]는 테트라페닐포스포늄 할라이드이다.
본 발명 1의 섬유 강화 복합재료용 2액형 수지 조성물의 바람직한 형태에 의하면, 상기한 성분 [C]는 이미다졸륨 할라이드이다.
또한, 본 발명의 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물의 다른 형태(본 발명 2라고 함)는 다음 성분 [A], 성분 [B]를 포함하고, 전 성분 혼합으로부터 5분 후의 점도가 혼합으로부터 1분 후의 점도의 1.5배 이상 4.0배 이하이고, 혼합으로부터 20분 후의 점도가 혼합으로부터 5분 후의 점도의 1.0배 이상 2.0배 이하인 온도 T1을 갖고, 그 온도 T1이 30℃ 이상 60℃ 이하인, 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물이다.
성분 [A]: 에폭시 수지
성분 [B]: 산 무수물
본 발명 2의 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물의 바람직한 형태에 의하면, 추가로 성분 [C]로서 4급 포스포늄 할라이드를 포함한다.
본 발명 2의 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물의 바람직한 형태에 의하면, 상기한 성분 [C]의 함유량이, 성분 [A] 100질량부에 대하여 6 내지 25질량부이다.
본 발명 2의 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물의 바람직한 형태에 의하면, 상기한 성분 [C]는 4급 포스포늄 브로마이드이다.
본 발명 2의 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물의 바람직한 형태에 의하면, 상기한 성분 [C]는 테트라페닐포스포늄 할라이드이다.
본 발명의 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물의 바람직한 형태에 의하면, 추가로 성분 [D] 강화 섬유를 포함한다. 또한, 여기에서 본 발명 1과 본 발명 2를 총칭해서 본 발명이라 약기하는 경우가 있고, 이후 마찬가지이다.
본 발명의 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물의 바람직한 형태에 의하면, 상기한 성분 [D]는 탄소 섬유이다.
본 발명의 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물의 바람직한 형태에 의하면, 상기한 성분 [B]는 지환식 구조를 갖는 산 무수물이다.
또한, 본 발명은 상기한 과제를 해결하려고 하는 것이며, 본 발명의 섬유 강화 복합재료는 상기한 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물을 경화해서 이루어진다.
본 발명에 따르면, 혼합 제조 후의 에폭시 수지 조성물의 저온(예를 들어, 40℃)에서의 점도 안정성이 우수하고, 강화 섬유로의 주입 시에 저점도를 유지해 함침성이 우수하고, 또한 성형 시에 단시간에 경화하고, 내열성이 우수하고, 투명성이 높아 성형체 품위가 우수한 섬유 복합재료를 높은 생산성으로 제공하는 것이 가능해지는 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물이 얻어진다.
또한, 본 발명의 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물은 성형 시에 단시간에 경화하고, 고품위의 섬유 강화 복합재료를 부여하기 때문에, RTM법 등에 의해 고품위의 섬유 강화 복합재료를 높은 생산성으로 제공 가능하게 된다. 이에 의해, 특히 자동차 용도로의 섬유 강화 복합재료의 적용이 진행되어, 자동차의 가일층의 경량화에 의한 연비 향상, 지구 온난화 가스 배출 삭감에 대한 공헌을 기대할 수 있다.
본 발명의 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물의 바람직한 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다.
본 발명 1의 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물은 다음 성분 [A] 내지 성분 [C]를 포함하고, 또한 상기 성분 [C]의 함유량이 상기한 성분 [A] 100질량부에 대하여 6 내지 25질량부이다.
성분 [A]: 에폭시 수지
성분 [B]: 산 무수물
성분 [C]: 4급 암모늄염, 4급 포스포늄 할라이드 또는 이미다졸륨염
먼저, 본 발명 1의 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물의 각 성분에 대해서 설명한다.
[성분 [A]: 에폭시 수지]
본 발명에서 사용되는 성분 [A]는 에폭시 수지이다. 에폭시 수지란, 1분자 내에 2개 이상의 에폭시기를 갖는 화합물을 의미한다.
본 발명에서의 성분 [A]의 구체예로서는, 수산기를 복수 갖는 페놀로부터 얻어지는 방향족 글리시딜 에테르, 수산기를 복수 갖는 알코올로부터 얻어지는 지방족 글리시딜 에테르, 아민으로부터 얻어지는 글리시딜 아민, 옥시란환을 갖는 에폭시 수지, 및 카르복실기를 복수 갖는 카르복실산으로부터 얻어지는 글리시딜 에스테르 등을 들 수 있다.
본 발명에서의 성분 [A]로서 사용할 수 있는 방향족 글리시딜 에테르의 예로서는 예를 들어, 비스페놀 A의 디글리시딜 에테르, 비스페놀 F의 디글리시딜 에테르, 비스페놀 AD의 디글리시딜 에테르, 비스페놀 S의 디글리시딜 에테르 등의 비스페놀로부터 얻어지는 디글리시딜 에테르, 페놀이나 알킬페놀 등으로부터 얻어지는 노볼락의 폴리글리시딜 에테르, 레조르시놀의 디글리시딜 에테르, 히드로퀴논의 디글리시딜 에테르, 4,4'-디히드록시비페닐의 디글리시딜 에테르, 4,4'-디히드록시-3,3',5,5'-테트라메틸비페닐의 디글리시딜 에테르, 1,6-디히드록시나프탈렌의 디글리시딜 에테르, 9,9'-비스(4-히드록시페닐)플루오렌의 디글리시딜 에테르, 트리스(p-히드록시페닐)메탄의 트리글리시딜 에테르, 테트라키스(p-히드록시페닐)에탄의 테트라글리시딜 에테르, 및 비스페놀 A의 디글리시딜 에테르와 2관능 이소시아네이트를 반응시켜서 얻어지는 옥사졸리돈 골격을 갖는 디글리시딜 에테르 등을 들 수 있다.
본 발명에서의 성분 [A]로서 사용할 수 있는 지방족 글리시딜 에테르의 예로서는 예를 들어, 에틸렌글리콜의 디글리시딜 에테르, 프로필렌 글리콜의 디글리시딜 에테르, 1,4-부탄디올의 디글리시딜 에테르, 1,6-헥산디올의 디글리시딜 에테르, 네오펜틸 글리콜의 디글리시딜 에테르, 시클로헥산 디메탄올의 디글리시딜 에테르, 글리세린의 디글리시딜 에테르, 글리세린의 트리글리시딜 에테르, 트리메틸올 에탄의 디글리시딜 에테르, 트리메틸올 에탄의 트리글리시딜 에테르, 트리메틸올 프로판의 디글리시딜 에테르, 트리메틸올 프로판의 트리글리시딜 에테르, 펜타에리트리톨의 테트라글리시딜 에테르, 도데카히드로비스페놀 A의 디글리시딜 에테르 및 도데카히드로비스페놀 F의 디글리시딜 에테르 등을 들 수 있다.
본 발명에서의 성분 [A]로서 사용할 수 있는 글리시딜 아민의 예로서는 예를 들어, 디글리시딜 아닐린, 디글리시딜 톨루이딘, 트리글리시딜 아미노페놀, 테트라글리시딜 디아미노디페닐메탄, 테트라글리시딜 크실릴렌 디아민이나, 이들의 할로겐, 알킬 치환체 및 수소 첨가품 등을 들 수 있다.
본 발명에서의 성분 [A]로서 사용할 수 있는 옥시란환을 갖는 에폭시 수지의 예로서는, 비닐시클로헥센 디옥시드, 디펜텐 디옥시드, 3,4-에폭시시클로헥산 카르복실산 3,4-에폭시시클로헥실메틸, 아디프산 비스(3,4-에폭시시클로헥실메틸), 디시클로펜타디엔 디옥시드, 비스(2,3-에폭시시클로펜틸)에테르, 및 4-비닐시클로헥센 디옥시드의 올리고머 등을 들 수 있다.
본 발명에서의 성분 [A]로서 사용할 수 있는 글리시딜 에스테르의 예로서는 예를 들어, 프탈산 디글리시딜 에스테르, 테레프탈산 디글리시딜 에스테르, 헥사히드로프탈산 디글리시딜 에스테르 및 다이머산 디글리시딜 에스테르 등을 들 수 있다.
그 중에서도, 비스페놀 화합물의 디글리시딜 에테르, 즉 비스페놀형 에폭시 수지, 특히 비스페놀 A형 에폭시 수지는 에폭시 수지 조성물의 점도와, 얻어지는 경화물의 내열성이나, 탄성률 등의 역학 물성과의 밸런스가 우수한 점에서, 본 발명에서의 성분 [A]로서 바람직하게 사용된다.
상기한 비스페놀 A형 에폭시 수지는 반복 단위수가 0 내지 0.2의 범위 내에 있는 것이 바람직하고, 0 내지 0.1의 범위 내에 있는 것이 보다 바람직한 형태이다.
반복 단위수는 다음 화학식
Figure 112017092057544-pct00001
으로 나타내는 비스페놀 A형 에폭시 수지의 화학 구조식에서의 n에 대응한다. 반복 단위수가 0.2를 상회하는 경우, 에폭시 수지 조성물의 점도가 상승해 강화 섬유로의 함침성이 악화됨과 함께, 얻어지는 섬유 강화 복합재료의 내열성이 불충분해지는 경우가 있다.
이러한 비스페놀 A형 에폭시 수지는 그 에폭시 당량이 170 내지 220의 범위 내에 있는 것이 바람직하고, 170 내지 195의 범위 내에 있는 것이 보다 바람직한 형태이다. 에폭시 당량은 통상 상기 반복 단위수가 클수록 커지고, 작을수록 작아진다고 하는 관계에 있다. 에폭시 당량이 170을 하회하는 경우, 저분자량의 불순물이 함유되어 있는 경우가 있고, 성형 시의 휘발에 의한 표면 품위의 악화로 이어지는 경우가 있다. 또한, 이러한 에폭시 당량이 220을 상회하는 경우, 에폭시 수지 조성물의 점도가 상승해 강화 섬유로의 함침성이 악화됨과 함께, 얻어지는 섬유 강화 복합재료의 강성이 불충분해지는 경우가 있다.
[성분 [B]: 산 무수물]
본 발명에서 사용되는 성분 [B]는 산 무수물, 구체적으로는 카르복실산 무수물이며, 보다 구체적으로는, 성분 [A](에폭시 수지)의 에폭시기와 반응 가능한 산 무수물기를 1분자 중에 1개 이상 갖는 화합물을 가리키고, 에폭시 수지의 경화제로서 작용한다. 산 무수물기는 1분자 중에 4개 이하인 것이 바람직한 형태이다.
본 발명에서 사용되는 성분 [B]는 프탈산 무수물과 같이, 방향환을 갖지만 지환식 구조를 갖지 않는 산 무수물이어도 되고, 무수 숙신산과 같이, 방향환, 지환식 구조 모두를 갖지 않는 산 무수물이어도 되지만, 저점도의 액상이어서 취급하기 쉽고, 또한 경화물의 내열성이나 기계적 물성의 관점에서, 지환식 구조를 갖는 산 무수물이 사용되는 것이 바람직하고, 그 중에서도 시클로알칸환 또는 시클로알켄환을 갖는 화합물이 보다 바람직하게 사용된다.
이러한 지환식 구조를 갖는 산 무수물의 구체예로서는 예를 들어, 헥사히드로프탈산 무수물, 메틸헥사히드로프탈산 무수물, 메틸디히드로나드산 무수물, 1,2,4,5-시클로펜탄 테트라카르복실산 이무수물, 1,2,3,6-테트라히드로프탈산 무수물, 메틸-1,2,3,6-테트라히드로프탈산 무수물, 나드산 무수물, 메틸나드산 무수물, 비시클로[2,2,2]옥트-7-엔-2,3,5,6-테트라카르복실산 이무수물 및 4-(2,5-디옥소테트라히드로푸란-3-일)-3-메틸-1,2,5,6-테트라히드로프탈산 무수물 등을 들 수 있다. 그 중에서도, 헥사히드로프탈산 무수물, 테트라히드로프탈산 무수물, 나드산 무수물 및 그들의 알킬 치환 타입에서 선택되는 산 무수물은, 에폭시 수지 조성물의 점도와, 얻어지는 경화물의 내열성이나, 탄성률 등의 역학 물성과의 밸런스가 우수한 점에서, 본 발명에서의 성분 [B]로서 바람직하게 사용된다. 성분 [B]로서, 지환식 구조를 갖는 산 무수물을 사용하는 경우에도, 본 발명에 따른 2액형 에폭시 수지 조성물에는 지환식 구조를 갖지 않는 산 무수물을 함유시킬 수 있다.
본 발명에서의 성분 [A]와 성분 [B]의 배합량은, 성분 [B] 중의 산 무수물기수(H)와, 성분 [A] 중의 에폭시기 총수(E)의 비, H/E비가 0.8 내지 1.1의 범위를 충족하는 배합량인 것이 바람직하고, 0.85 내지 1.05의 범위를 충족하는 배합량인 것이 보다 바람직하고, 0.9 내지 1.0의 범위를 충족하는 배합량인 것이 보다 바람직한 형태이다. H/E비가 0.8을 하회하는 경우, 과잉으로 존재하는 에폭시 수지끼리의 중합이 진행되어, 경화물의 물성 저하를 초래한다. 또한, H/E비가 1.1을 상회하는 경우, 과잉으로 존재하는 경화제 성분 때문에 계의 반응점 농도가 감소하고, 반응속도가 저하되어, 충분한 고속 경화성을 발휘할 수 없게 되는 경우가 있다.
또한, 본 발명 2의 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물은 상기한 성분 [A], 성분 [B]를 포함하고, 전 성분의 혼합으로부터 5분 후의 점도가 혼합으로부터 1분 후의 점도의 1.5배 이상 4.0배 이하이고, 혼합으로부터 20분 후의 점도가 혼합으로부터 5분 후의 점도의 1.0배 이상 2.0배 이하인 온도 T1을 갖고, 그 온도 T1이 30℃ 이상 60℃ 이하인, 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물이다. 그리고 본 발명 2의 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물은 전 성분의 혼합으로부터 5분 후의 점도가 혼합으로부터 1분 후의 점도의 1.7배 이상 4.0배 이하가 보다 바람직한 형태이다. 또한 본 발명 2의 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물은 혼합으로부터 20분 후의 점도가 혼합으로부터 5분 후의 점도의 1.0배 이상 1.6배 이하인 것이 보다 바람직한 형태이다.
또한, 전 성분의 혼합으로부터 5분 후의 점도가 혼합으로부터 1분 후의 점도의 1.5배 이상 4.0배 이하이고, 혼합으로부터 20분 후의 점도가 혼합으로부터 5분 후의 점도의 1.0배 이상 2.0배 이하인 온도 T1을 갖는지의 여부를 판단할 때에는, 30℃, 40℃, 60℃의 3점에 있어서 점도 측정을 행하고, 어느 온도에서 상기 점도 조건을 충족시키는 경우에, 상기 온도 T1이 있다고 판단하고, 어느 온도에 있어서도 상기 점도 조건을 충족하는 것이 없는 경우에, 상기 온도 T1은 없다고 판단한다. 즉, 온도 T1은 30℃, 40℃, 60℃ 중 어느 것으로부터 선택되는 수치이다.
본 발명 2의 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물은 전술한 점도 거동을 나타냄으로써, 강화 섬유로의 함침 후의 수지 플로우를 제어할 수 있고, 예를 들어, RTM법에서는 금형 부품의 약간의 간극에 수지가 들어가기 어려워지기 때문에 성형체의 버(burr)가 적어지고, 예를 들어, 필라멘트 와인딩법에서는 강화 섬유로의 수지 함침 후 수지의 드리핑을 억제할 수 있어, 수지 재료의 손실을 적게 하는 것이 가능해짐과 함께, 성형체 품위도 향상된다.
섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물에 있어서, 전 성분의 혼합으로부터 5분 후의 점도가 혼합으로부터 1분 후의 점도의 1.5배 이상 4.0배 이하이며, 혼합으로부터 20분 후의 점도가 혼합으로부터 5분 후의 점도의 1.0배 이상 2.0배 이하인 온도 T1을 갖고, 그 온도 T1을 30℃ 이상 60℃ 이하로 하기 위한 방법은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, 후술하는 성분 [C]를 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물 중에 포함하는 방법을 들 수 있다. 즉 본 발명 2의 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물은 성분 [C]를 포함하는 것이 바람직하다.
[성분 [C]: 4급 암모늄염, 4급 포스포늄 할라이드 또는 이미다졸륨염]
본 발명 1 및 본 발명 2의 바람직한 형태에 있어서 사용되는 성분 [C]는 4급 암모늄염, 4급 포스포늄 할라이드 또는 이미다졸륨염이다. 이들은 속경화성 발현을 위한 경화촉진제로서 작용한다.
4급 암모늄염, 4급 포스포늄 할라이드, 이미다졸륨염을 본 발명에 적용하면, 상세한 기구는 분명치는 않지만, 후술하는 주제액과 경화제액을 혼합한 후의 점도 상승이 적어 안정하고 섬유 강화 복합재료를 성형할 때에 강화 섬유 기재로의 함침 성이 우수한 한편, 경화 반응 중 후기에서의 반응속도가 충분히 빨라 경화 시간을 단축할 수 있고, 또한 무색 투명의 경화물을 얻을 수 있는 것(※)을 찾아냈다.
이하에서는, 성분 [C]로서 사용되는 (i) 4급 암모늄염, (ii) 4급 포스포늄 할라이드, (iii) 이미다졸륨염 각각에 대해서 보다 상세하게 설명한다.
(i) 4급 암모늄염
4급 암모늄염은 상기한 특징(※)에 더하여, 특히 주제액과 경화제액을 혼합한 후의 상온 하에서의 점도 상승이 적음에도 불구하고, 경화 시간이 짧은 경향이 있기 때문에, 섬유 강화 복합재료를 성형할 때에 강화 섬유 기재로의 함침성이 우수함과 함께, 높은 생산성으로 섬유 강화 복합재료를 성형하는 것이 가능하게 되는 점에서 바람직하다.
본 발명에서의 성분 [C]로서 사용되는 4급 암모늄염의 구체예로서는, 예를 들어, 4급 암모늄 양이온과 옥소산 음이온을 포함하는 4급 암모늄 옥소산염, 4급 암모늄 양이온과 제17족 원소의 음이온을 포함하는 4급 암모늄 할라이드, 및 4급 암모늄 양이온과 붕소를 함유하는 보레이트 음이온을 포함하는 4급 암모늄 보레이트염 등을 들 수 있다.
상기 4급 암모늄 옥소산염의 예로서는 예를 들어, 과염소산 테트라메틸암모늄, 테트라메틸암모늄 술페이트, 아세트산 테트라메틸암모늄, 테트라메틸암모늄 황산 수소염, 질산 테트라에틸암모늄, 과염소산 테트라에틸암모늄, 과염소산 세틸트리메틸암모늄, 과염소산 헥사데실트리메틸암모늄, 과염소산 테트라부틸암모늄, 트리-n-옥틸메틸암모늄 황산 수소염, 아세트산 테트라부틸암모늄, 테트라부틸암모늄 황산 수소염, 테트라메틸암모늄 p-톨루엔 술포네이트, 테트라에틸암모늄 p-톨루엔 술포네이트 및 살리실산 테트라부틸암모늄 등을 들 수 있다.
상기 4급 암모늄 할라이드의 예로서는, 예를 들어, 테트라메틸암모늄 클로라이드, 메틸트리에틸암모늄 클로라이드, 테트라에틸암모늄 클로라이드, 트리부틸메틸암모늄 클로라이드, 데실트리메틸암모늄 클로라이드, 트리메틸-n-옥틸암모늄 클로라이드, 라우릴트리메틸암모늄 클로라이드, 도데실트리메틸암모늄 클로라이드, 트리메틸도데실암모늄 클로라이드, 트리메틸미리스틸암모늄 클로라이드, 테트라데실트리메틸암모늄 클로라이드, 트리메틸테트라데실암모늄 클로라이드, 테트라프로필암모늄 클로라이드, 세틸트리메틸암모늄 클로라이드, 헥사데실트리메틸암모늄 클로라이드, 트리메틸옥타데실암모늄 클로라이드, 트리-n-옥틸메틸암모늄 클로라이드, 디라우릴디메틸암모늄 클로라이드, 테트라부틸암모늄 클로라이드, 디메틸디옥타데실암모늄 클로라이드, 디메틸디스테아릴암모늄 클로라이드, 테트라펜틸암모늄 클로라이드, 테트라아밀암모늄 클로라이드, 페닐트리메틸암모늄 클로라이드, 벤질트리메틸암모늄 클로라이드, 1,1-디메틸피페리디늄 클로라이드, 페닐벤질디메틸암모늄 클로라이드, 페닐트리에틸암모늄 클로라이드, 벤질트리에틸암모늄 클로라이드, 벤질트리부틸암모늄 클로라이드, 테트라메틸암모늄 브로마이드, 트리메틸프로필암모늄 브로마이드, 테트라에틸암모늄 브로마이드, 헥실트리메틸암모늄 브로마이드, 데실트리메틸암모늄 브로마이드, 트리메틸-n-옥틸암모늄 브로마이드, 노닐트리메틸암모늄 브로마이드, 라우릴트리메틸암모늄 브로마이드, 테트라프로필암모늄 브로마이드, 미리스틸트리메틸암모늄 브로마이드, 디데실디메틸암모늄 브로마이드, 디메틸디옥틸암모늄 브로마이드, 세틸트리메틸암모늄 브로마이드, 헥실디메틸옥틸암모늄 브로마이드, 트리메틸헵타데실암모늄 브로마이드, 트리메틸옥타데실암모늄 브로마이드, 트리메틸스테아릴암모늄 브로마이드, 디도데실디메틸암모늄 브로마이드, 디메틸디테트라도데실암모늄 브로마이드, 테트라부틸암모늄 브로마이드, 세틸에틸디메틸암모늄 브로마이드, 에틸헥사데실디메틸암모늄 브로마이드, 디메틸디스테아릴암모늄 브로마이드, 디헥사데실디메틸암모늄 브로마이드, 테트라펜틸암모늄 브로마이드, 테트라헥실암모늄 브로마이드, 테트라헵틸암모늄 브로마이드, 테트라(데실)암모늄 브로마이드, 테트라-n-옥틸암모늄 브로마이드, 페닐트리메틸암모늄 브로마이드, 1-부틸-1-메틸피롤리디늄 브로마이드, 벤질트리메틸암모늄 브로마이드, 1-부틸-1-메틸피페리디늄 브로마이드, 1-메틸-1-프로필피페리디늄 브로마이드, 벤질트리에틸암모늄 브로마이드, 벤질도데실디메틸암모늄 브로마이드, 트리부틸벤질암모늄 브로마이드, 테트라메틸암모늄 요오다이드, 에틸트리메틸암모늄 요오다이드, 테트라에틸암모늄 요오다이드, 에틸트리프로필암모늄 요오다이드, 테트라프로필암모늄 요오다이드, 테트라부틸암모늄 요오다이드, 디메틸디스테아릴암모늄 요오다이드, 테트라헥실암모늄 요오다이드, 테트라펜틸암모늄 요오다이드, 테트라헵틸암모늄 요오다이드, 테트라-n-옥틸암모늄 요오다이드, 트리메틸페닐암모늄 요오다이드, 트리에틸페닐암모늄 요오다이드 및 벤질트리에틸암모늄 요오다이드 등을 들 수 있다.
상기 4급 암모늄 보레이트염의 예로서는, 예를 들어, 테트라메틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 트리에틸메틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라에틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 세틸트리메틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 헥사데실트리메틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라부틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 1-에틸-1-메틸피롤리디늄 테트라플루오로보레이트 및 테트라부틸암모늄 테트라페닐보레이트 등을 들 수 있다.
그 중에서도, 에폭시 수지와 경화제로의 용해성이나 비용의 관점에서, 4급 암모늄 할라이드가 바람직하게 사용되고, 4급 암모늄 브로마이드가 보다 바람직하게 사용된다.
(ii) 4급 포스포늄 할라이드
4급 포스포늄 할라이드는 상기한 특징(※)에 더하여, 함침성을 손상시키지 않는 레벨에서 30℃ 이상 60℃ 이하의 온도에 있어서, 전 성분 혼합으로부터 5분 후의 점도가 혼합으로부터 1분 후의 점도의 1.5배 이상 4.0배 이하이고, 또한 혼합으로부터 20분 후의 점도가 혼합으로부터 5분 후의 점도의 1.0배 이상 2.0배 이하라고 하는 점도 거동을 나타내고, 수지의 플로우를 컨트롤할 수 있는 경우가 많은 점에서 본 발명에서의 성분 [C]로서 바람직하게 사용된다. 요즘 성형체의 형상은 복잡해지고 있어, 거기에 대응하기 위해서 금형도 복수의 부품으로 분할이 가능해지는 등 복잡화하고 있다. 그로 인해, 섬유 강화 복합재료를 성형할 때의 강화 섬유 기재로의 함침 후에는 금형 부품 간의 약간의 간극에 수지가 들어가, 성형체의 버가 많아질 가능성이 있지만, 함침 후에 수지 점도가 적절하게 상승함으로써 수지 플로우를 제어하고, 예를 들어, RTM법에서는 금형 부품의 약간의 간극에 수지가 들어가기 어려워져 성형체의 버를 적게 할 수 있고, 필라멘트 와인딩법에서는 수지의 드리핑을 저감할 수 있는 점에서 바람직하다.
본 발명에서의 성분 [C]로서 사용되는 4급 포스포늄 할라이드의 구체예로서는, 테트라에틸포스포늄 브로마이드, 트리부틸메틸포스포늄 요오다이드, 트리부틸(시아노메틸)포스포늄 클로라이드, 테트라키스(히드록시메틸)포스포늄 클로라이드, 테트라부틸포스포늄 브로마이드, 테트라부틸포스포늄 클로라이드, 트리부틸-n-옥틸포스포늄 브로마이드, 테트라-n-옥틸포스포늄 브로마이드, 트리부틸도데실포스포늄 브로마이드, 트리부틸헥사데실포스포늄 브로마이드, 메틸트리페닐포스포늄 요오다이드, 메틸트리페닐포스포늄 브로마이드, 메틸트리페닐포스포늄 클로라이드, 테트라페닐포스포늄 브로마이드, 테트라페닐포스포늄 클로라이드, 테트라페닐포스포늄 요오다이드, 에틸트리페닐포스포늄 브로마이드, 에틸트리페닐포스포늄 요오다이드, 이소프로필 트리페닐포스포늄 요오다이드, 부틸트리페닐포스포늄 브로마이드, 트리페닐프로필포스포늄 브로마이드, 아밀트리페닐포스포늄 브로마이드, 벤질트리페닐포스포늄 클로라이드, 벤질트리페닐포스포늄 브로마이드, 헥실트리페닐포스포늄 브로마이드, 헵틸트리페닐포스포늄 브로마이드, 트리페닐(테트라데실)포스포늄 브로마이드 및 (1-나프틸메틸)트리페닐포스포늄 클로라이드 등을 들 수 있다.
본 발명에서의 성분 [C]로서 사용되는 4급 포스포늄 할라이드로서는 성분 [A]나 성분 [B]로의 용해성이나 비용, 또한 전술한 특이적인 점도 거동 발현의 관점에서, 4급 포스포늄 브로마이드가 바람직한 형태이며, 그 구체예로서는, 테트라에틸포스포늄 브로마이드, 테트라부틸포스포늄 브로마이드, 트리부틸-n-옥틸포스포늄 브로마이드, 테트라-n-옥틸포스포늄 브로마이드, 트리부틸도데실포스포늄 브로마이드, 트리부틸헥사데실포스포늄 브로마이드, 메틸트리페닐포스포늄 브로마이드, 테트라페닐포스포늄 브로마이드, 에틸트리페닐포스포늄 브로마이드, 부틸트리페닐포스포늄 브로마이드, 트리페닐프로필포스포늄 브로마이드, 아밀트리페닐포스포늄 브로마이드, 벤질트리페닐포스포늄 브로마이드, 헥실트리페닐포스포늄 브로마이드, 헵틸트리페닐포스포늄 브로마이드 및 트리페닐(테트라데실)포스포늄 브로마이드 등을 들 수 있다.
본 발명에서의 성분 [C]로서 사용되는 4급 포스포늄 할라이드로서는, 경화물 물성의 관점에서 테트라페닐포스포늄 할라이드가 바람직한 형태이며, 그 구체예로서는, 테트라페닐포스포늄 브로마이드, 테트라페닐포스포늄 클로라이드 및 테트라페닐포스포늄 요오다이드를 들 수 있다.
(iii) 이미다졸륨염
이미다졸륨염은 상기한 특징(※)에 더하여, 특히 주제액과 경화제액을 혼합한 후의 상온 하에서의 점도 상승이 적음에도 불구하고, 경화 시간이 짧은 경향이 있기 때문에, 섬유 강화 복합재료를 성형할 때에 강화 섬유 기재로의 함침성이 우수함과 함께, 높은 생산성으로 섬유 강화 복합재료를 성형하는 것이 가능하게 되는 점에서 바람직하다.
본 발명 1 및 본 발명 2의 바람직한 형태에서 사용되는 성분 [C]의 함유량은 성분 [A] 100질량부에 대하여 6 내지 25질량부인 것이 바람직하고, 6 내지 20질량부인 것이 보다 바람직한 형태이다. 성분 [C]가 6질량부보다도 적을 경우, 경화에 요하는 시간이 길어져 충분한 고속 경화성을 발휘할 수 없는 경우가 있다. 한편, 성분 [C]가 25질량부보다도 많을 경우, 저점도를 유지하는 시간이 짧아져, 강화 섬유로의 함침이 곤란해지는 경우가 있다. 성분 [B]와 성분 [C]를 적절한 배합량으로 사용함으로써, 경화 속도 향상과 저온에서의 점도 안정성의 양립을 보다 용이하게 실현할 수 있는 점에서 바람직하다.
본 발명에서의 성분 [C]로서 사용되는 이미다졸륨염의 구체예로서는, 예를 들어, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 브로마이드, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 트리플루오로메탄술포네이트, 1-부틸-2,3-디메틸이미다졸륨 클로라이드, 1-부틸-2,3-디메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트, 1-부틸-2,3-디메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라클로로페레이트, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 요오다이드, 1-부틸-2,3-디메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 트리플루오로(트리플루오로메틸)보레이트, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 트리브로마이드, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 티오시아네이트, 1-부틸-2,3-디메틸이미다졸륨 트리플루오로메탄술포네이트, 1,3-디메틸이미다졸륨 디메틸포스페이트, 1,3-디메틸이미다졸륨 클로라이드, 1,3-디메시틸이미다졸륨 클로라이드, 1,3-비스(2,6-디이소프로필페닐)이미다졸륨 클로라이드, 1,3-디(1-아다만틸)이미다졸륨 테트라플루오로보레이트, 1,3-디이소프로필이미다졸륨 테트라플루오로보레이트, 1,3-디-tert-부틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트, 1,3-디시클로헥실이미다졸륨 테트라플루오로보레이트, 1,3-디시클로헥실이미다졸륨 클로라이드, 1,2-디메틸-3-프로필이미다졸륨 요오다이드, 2,3-디메틸-1-프로필이미다졸륨 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드, 1-데실-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드, 1,3-디메틸이미다졸륨 요오다이드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 트리플루오로메탄술포네이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 브로마이드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 요오다이드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 에틸술페이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 p-톨루엔 술포네이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 디시안아미드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 테트라클로로페레이트, 1-에틸-2,3-디메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 황산 수소염, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 메탄술포네이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 트리플루오로(트리플루오로메틸)보레이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 아세테이트, 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 클로라이드, 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트, 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트, 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 트리플루오로메탄술포네이트, 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 브로마이드, 1-헥실-2,3-디메틸이미다졸륨 요오다이드, 1-헥실-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메탄술포닐)이미드, 1-(2-히드록시에틸)-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트, 1-메틸-3-프로필이미다졸륨 요오다이드, 1-메틸-3-n-옥틸이미다졸륨 브로마이드, 1-메틸-3-n-옥틸이미다졸륨 클로라이드, 1-메틸-3-n-옥틸이미다졸륨 헥사플루오로포스페이트, 1-메틸-3-[6-(메틸술피닐)헥실]이미다졸륨 p-톨루엔 술포네이트, 1-메틸-3-[6-(메틸티오헥실]이미다졸륨 p-톨루엔 술포네이트, 1-메틸-3-n-옥틸이미다졸륨 트리플루오로메탄술포네이트, 1-메틸-3-n-옥틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트 등을 들 수 있다. 이 중에서도, 에폭시 수지와 경화제로의 용해성이나 비용의 관점에서, 이미다졸륨 할라이드가 바람직하게 사용된다.
[2액형 에폭시 수지 조성물의 점도]
본 발명의 2액형 에폭시 수지 조성물은 상기한 성분을 적정하게 배합하여, 40℃에서의 전 성분 혼합으로부터 1분 후의 점도가 0.1 내지 2.0Pa·s가 되도록 하는 것이 바람직하고, 0.1 내지 1.5Pa·s가 되도록 하는 것이 보다 바람직한 형태이다. 점도를 2.0Pa·s 이하로 함으로써, 성형 온도에서의 점도를 낮게 할 수 있고, 섬유 강화 복합재료를 성형할 때에 강화 섬유 기재로의 주입 시간이 짧아져, 미함침의 원인을 줄일 수 있기 때문이다. 또한, 점도를 0.1Pa·s 이상으로 함으로써, 성형 온도에서의 점도가 너무 낮아지지 않고, 섬유 강화 복합재료를 성형할 때에 강화 섬유 기재로의 주입 시에 공기가 혼입되어 발생하는 피트를 방지할 수 있고, 함침이 불균일해져서 발생하는 미함침 영역의 발생을 방지할 수 있기 때문이다.
본 발명에서의 점도는 ISO 2884-1(1999)에서의 원뿔-평판형 회전 점도계를 사용한 측정 방법에 기초하여, 2액형 에폭시 수지 조성물의 혼합 제조 직후의 점도를 측정함으로써 구해진다. 측정 장치로서는, 예를 들어, 도끼 산교(주)제의 TVE-33H형 등을 들 수 있다. 또한, 혼합 제조 직후의 점도란, 혼합 제조 후 1분 후의 점도이다.
[2액형 에폭시 수지 조성물의 큐어 인덱스]
본 발명에 따른 2액형 에폭시 수지 조성물은, 정온 유지 하에서의 유전 측정에서 구해지는 큐어 인덱스가 10% 및 90%가 되는 시간을 각각 t10 및 t90이라 했을 때, t10과 t90이 다음 3개의 관계식 (식 1) 내지 (식 3)을 충족하는 특정 온도 T2를 갖는 것이 바람직하다.
·0.5≤t10≤2·… ·(식 1)
·0.5≤t90≤5·… ·(식 2)
·1 <t90/t10≤2.5… (식 3)
(여기서, t10은 온도 T2에서의 측정 개시부터 큐어 인덱스가 10%에 도달할 때까지의 시간(분)을 나타내고, t90은 온도 T2에서의 측정 개시부터 큐어 인덱스가 90%에 도달하는 시간(분)을 나타냄).
유전 측정은, 점도나 탄성률과의 일의적인 대응은 되지 않지만, 저점도 액체로부터 고탄성율 비정질 고체까지 변화하는 열경화성 수지의 경화 프로파일을 구하는 데 있어서 유익하다. 유전 측정에서는, 열경화성 수지에 고주파 전계를 인가해서 측정되는 복소 유전율로부터 계산되는 이온 점도(등가 저항률)의 시간 변화로부터, 경화 프로파일을 구한다.
유전 측정 장치로서는, 예를 들어, Holometrix-Micromet사제의 MDE-10 큐어 모니터를 사용할 수 있다. 측정 방법으로서는, 먼저, TMS-1인치형 센서를 하면에 매립한 프로그래머블 미니프레스 MP2000의 하면에, 내경이 32mm이고, 두께가 3mm인 바이톤제 O링을 설치하고, 프레스의 온도를 소정 온도 T로 설정한다. 이어서, O링의 내측에 에폭시 수지 조성물을 주입하고, 프레스를 폐쇄하고 에폭시 수지 조성물의 이온 점도의 시간 변화를 추적한다. 유전 측정은 1, 10, 100, 1000 및 10000Hz의 각 주파수에서 행하고, 장치 부속의 소프트웨어(유메트릭)를 사용하여, 주파수 비의존의 이온 점도의 대수 Log(σ)를 얻는다.
경화 소요시간 t에서의 큐어 인덱스는 다음 (식 4)로 구해지고, 큐어 인덱스가 10%에 달하는 시간을 t10, 90%에 달하는 시간을 t90이라 하였다.
·큐어 인덱스={log(αt)-log(αmin)}/{log(αmax)-log(αmin)}×100… (식 4)
·큐어 인덱스: (단위: %)
·αt: 시간 t에서의 이온 점도(단위: Ω·cm)
·αmin: 이온 점도의 최솟값(단위: Ω·cm)
·αmax: 이온 점도의 최댓값(단위: Ω·cm).
유전 측정에 의한 이온 점도의 추적은 경화 반응이 빨라도 비교적 용이하다. 또한, 이온 점도는 겔화 이후에도 측정이 가능하고, 경화의 진행과 함께 증가하고, 경화 완료에 따라 포화한다는 성질을 가진다. 그로 인해, 초기의 점도 변화뿐만 아니라 경화 반응의 진행을 추적하기 위해서도 사용할 수 있다. 상기와 같이 이온 점도의 대수를, 최솟값이 0%가 되고, 포화값(최댓값)이 100%가 되도록 규격화한 수치를 큐어 인덱스라 하고, 열경화성 수지의 경화 프로파일을 기술하기 위해서 사용된다. 초기의 점도 상승의 속도에 관한 지표로서 큐어 인덱스가 10%에 도달하는 시간을 사용하고, 경화 시간에 관한 지표로서 큐어 인덱스가 90%에 도달하는 시간을 사용함으로써, 초기의 점도 상승이 작고, 단시간에 경화할 수 있기 때문에 바람직한 조건을 기술할 수 있다.
본 발명에서의 상기 3개의 관계식이 갖는 의미를 요약하면, 특정 온도 T2에 있어서 2액형 에폭시 수지 조성물의 유동이 가능하게 되는 시간(유동 가능 시간)에 비례하는 t10이 0.5분 이상 2분 이하(식 1)이며, 2액형 에폭시 수지 조성물의 경화가 거의 완료되고, 탈형이 가능하게 되는 시간(탈형 가능 시간)에 비례하는 t90이 0.5분 이상 5분 이하(식 2)이며, 그리고, 에폭시 수지 조성물의 탈형 가능 시간과 유동 가능 시간의 비가 1보다 크고 2.5 이하(식 3)가 된다. 즉, 상기 범위 내에서는 t10이 클 경우, 2액형 에폭시 수지 조성물은 섬유 강화 복합재료를 성형할 때에 강화 섬유 기재에 함침하기 쉽고, t90은 작을 경우, 2액형 에폭시 수지 조성물의 경화가 빠른 것을 의미하므로, t90/t10은 1보다 크고 2.5 이하의 범위에 있어서 작은 편이 보다 바람직하다.
또한, 후술하는 성형 온도와의 밸런스를 고려하면, 에폭시 수지 조성물의 성형 온도(가열 경화 온도), 즉, 상기 특정 온도 T2는 100 내지 140℃의 범위인 것이 바람직하다. 특정 온도 T2의 범위를 100 내지 140℃로 함으로써, 경화에 요하는 시간을 단축하는 것과 동시에, 탈형 후의 열수축을 완화시킴으로써, 표면 품위가 양호한 섬유 강화 복합재료를 얻을 수 있다.
[2액형 에폭시 수지 조성물의 배합]
본 발명의 2액형 에폭시 수지 조성물은 먼저, 성분 [A]를 함유하는 주제액과, 성분 [B]를 주성분(또한, 여기에서 말하는 주성분이란, 경화제액 내에 있어서 질량 기준으로 최대량의 성분인 것을 의미함)으로서 함유하는 경화제액을, 각각 상기한 배합량으로 배합해 두고, 사용 직전에 상기한 배합량이 되게, 주제액과 경화제액을 혼합해서 얻어진다. 상기한 성분 [C]는 주제액, 경화제액의 어느 쪽에도 배합할 수 있지만, 경화제액에 함유되는 것이 보다 바람직한 형태이다.
다른 배합 성분은 주제액과 경화제액의 어느 쪽에 배합해도 되고, 미리 어느 쪽인가 또는 양쪽에 혼합해서 사용할 수 있다. 주제액과 경화제액은 혼합 전에, 별개로 가온해 두는 것이 바람직하고, 성형 틀로의 주입 등, 사용 직전에 믹서를 사용해서 혼합해서 2액형 에폭시 수지 조성물을 얻는 것이, 수지의 가사시간의 점에서 바람직하다.
[성분 [D]: 강화 섬유]
본 발명의 2액형 에폭시 수지 조성물에는, 필요에 따라 성분 [D]로서 강화 섬유를 포함하고 있어도 된다. 이러한 경우의 강화 섬유로서는, 유리 섬유, 아라미드 섬유, 탄소 섬유 및 보론 섬유 등이 적합하게 사용된다. 그 중에서도, 경량이면서, 강도나, 탄성률 등의 역학 물성이 우수한 섬유 강화 복합재료가 얻어진다는 이유에서, 탄소 섬유가 적합하게 사용된다.
강화 섬유는 단섬유 및 연속 섬유 어느 쪽이어도 되고, 양자를 병용할 수도 있다. 고 Vf의 섬유 강화 복합재료를 얻기 위해서는, 연속 섬유가 바람직하게 사용된다.
강화 섬유로서 연속 섬유를 사용하는 경우, 강화 섬유의 형태는 스트랜드로 사용되는 경우도 있지만, 강화 섬유를 매트, 직물, 니트, 브레이드 및 일방향 시트 등으로 가공한 강화 섬유 기재로서 사용하는 것이 바람직하다. 그 중에서도, 섬유 강화 복합재료의 섬유 체적 함유율 Vf(상세는 후술함)를 높게 하는 것이 비교적 용이하고, 또한 취급성이 우수한 점에서 직물이 적합하게 사용된다. 이러한 경우, 직물의 충전율은, 높은 쪽이 높은 섬유 체적 함유율 Vf의 섬유 강화 복합재료를 얻기 쉽기 때문에, 직물의 충전율은 바람직하게는 0.10 내지 0.85이며, 보다 바람직하게는 0.40 내지 0.85이며, 더욱 바람직하게는 0.50 내지 0.85의 범위 내인 것이 바람직하다.
여기서, 직물의 충전율이란, 직물의 겉보기 체적에 대한, 강화 섬유의 순 체적비이며, W/(1000t·ρf)의 식에 의해 구해진다.
·W: 단위 면적당 중량(단위: g/m2)
·t: 두께(단위: mm)
·ρf: 강화 섬유의 밀도(단위: g/cm3)
여기에서 사용하는 직물의 단위 면적당 중량과 두께는 JIS R 7602(1995)에 준거해서 구해진다.
[섬유 강화 복합재료]
본 발명의 2액형 에폭시 수지 조성물과 성분 [D]인 강화 섬유를 조합하고, 계속해서 2액형 에폭시 수지 조성물을 경화시킴으로써, 본 발명의 섬유 강화 복합재료가 얻어진다. 본 발명의 섬유 강화 복합재료의 성형 방법으로서는, 핸드레이업법, 필라멘트 와인딩법, 풀트루전법, RTM(Resin Transfer Molding: 수지 주입 성형)법 등의, 2액형 수지를 사용하는 성형 방법이 적합하게 사용된다. 이들 중, 생산성이나 성형체의 형상 자유도라고 하는 관점에서, 특히 RTM 성형법이 적합하게 사용된다. RTM 성형법이란, 성형 틀 내에 배치한 강화 섬유 기재에 수지를 주입해 경화해서 강화 섬유 복합재료를 얻는 것이다.
이어서, RTM 성형법을 예로, 본 발명의 섬유 강화 복합재료를 제조하는 방법에 대해서 설명한다. 먼저, 상기한 바와 같이 하여, 본 발명에 따른 2액형 에폭시 수지 조성물을 얻는다. 본 발명의 섬유 강화 복합재료는, 가온한 상기 2액형 에폭시 수지 조성물을, 특정 온도 T로 가열한 성형 틀 내에 배치한 강화 섬유 기재에 주입해서 함침시켜, 그 성형 틀 내에서 경화함으로써 제조되는 것이 바람직하다.
2액형 에폭시 수지 조성물을 가온하는 온도는 강화 섬유 기재로의 함침성의 관점에서, 2액형 에폭시 수지 조성물의 초기 점도와 점도 상승의 관계로부터 결정되고, 바람직하게는 30 내지 70℃이고, 보다 바람직하게는 50 내지 60℃이다.
또한, 본 발명의 섬유 강화 복합재료의 제조 방법에 있어서는, 성형 틀에 복수의 주입구를 갖는 것을 사용하고, 2액형 에폭시 수지 조성물을 복수의 주입구로부터 동시에, 또는 시간차를 두고 순차 주입하거나 하여, 얻고자 하는 섬유 강화 복합재료에 따라서 적절한 조건을 선택하는 것이, 여러 가지 형상이나 크기의 성형체에 대응할 수 있는 자유도가 얻어지기 때문에 바람직한 형태이다. 상기한 주입구의 수나 형상에 제한은 없지만, 단시간에 주입을 가능하게 하기 위해서 주입구는 많을수록 좋고, 또한 그의 배치는 성형되는 섬유 강화 복합재료의 형상에 따라서 수지의 유동 길이를 짧게 할 수 있는 위치가 바람직하다.
2액형 에폭시 수지 조성물의 주입 압력은 통상 0.1 내지 1.0MPa이며, 틀 내를 진공 흡인해서 에폭시 수지 조성물을 주입하는 VaRTM(Vacuum Assist Resin Transfer Molding)법도 사용할 수 있지만, 주입 시간과 설비의 경제성의 점에서 0.1 내지 0.6MPa인 것이 바람직하다. 또한, 가압 주입을 행하는 경우에도, 2액형 에폭시 수지 조성물을 주입하기 전에 틀 내를 감압해 두면, 보이드의 발생을 억제할 수 있다.
본 발명의 섬유 강화 복합재료에 있어서, 사용되는 강화 섬유는 [성분 [D]: 강화 섬유]에서 설명한 대로이다.
[섬유 강화 복합재료의 섬유 체적 함유율]
본 발명의 섬유 강화 복합재료가 높은 비강도, 또는 비탄성률을 가지기 위해서는, 그 섬유 체적 함유율 Vf가, 바람직하게는 40 내지 85%이며, 보다 바람직하게는 45 내지 85%의 범위 내이다. 여기서 말하는, 섬유 강화 복합재료의 섬유 체적 함유율 Vf란, ASTM D3171(1999)에 준거하여, 하기에 의해 정의되고, 측정되는 값이며, 강화 섬유 기재에 대하여 에폭시 수지 조성물이 주입되어, 경화된 후의 상태에 있는 것을 말한다. 즉, 섬유 강화 복합재료의 섬유 체적 함유율 Vf의 측정은 섬유 강화 복합재료의 두께 h로부터, 하기 (식 5)를 사용해서 나타낼 수 있다.
·섬유 체적 함유율 Vf(%)=(Af×N)/(ρf×h)/10… (식 5)
·Af: 섬유 기재 1매·1m2당 질량(g/m2)
·N: 섬유 기재의 적층 매수(매)
·ρf: 강화 섬유의 밀도(g/cm3)
·h: 섬유 강화 복합재료(시험편)의 두께(mm).
섬유 기재 1매·1m2당 질량 Af나, 섬유 기재의 적층 매수 N 및 강화 섬유의 밀도ρf가 명확하지 않은 경우에는, JIS K 7075(1991)에 기초하는 연소법, 질산분해법 및 황산분해법 중 어느 것에 의해, 섬유 강화 복합재료의 섬유 체적 함유율을 측정할 수 있다. 이 경우에 사용되는 강화 섬유의 밀도는 JIS R 7603(1999)에 기초하여 측정한 값을 사용한다.
구체적인 섬유 강화 복합재료의 두께 h의 측정 방법으로서는, 섬유 강화 복합재료의 두께를 정확하게 측정할 수 있는 방법이며, JIS K 7072(1991)에 기재되어 있는 바와 같이, JIS B 7502(1994)에 규정된 마이크로미터 또는 이와 동등 이상의 정밀도를 가지는 것으로 측정한다. 섬유 강화 복합재료가 복잡한 형상을 하고 있어서, 측정을 할 수 없는 경우에는, 섬유 강화 복합재료로부터 샘플(측정용으로서의 어느 정도의 형과 크기를 갖고 있는 샘플)을 잘라내서, 측정할 수 있다.
본 발명의 섬유 강화 복합재료의 바람직한 형태의 하나로서, 단판을 들 수 있다. 또한, 다른 바람직한 형태로서, 단판상의 섬유 강화 복합재료가 코어재의 양면에 배치된 샌드위치 구조체, 단판상의 구조체에 주위를 덮은 중공 구조체, 및 단판상의 섬유 강화 복합재료가 코어재의 편면에 배치된 소위 카나페 구조체 등을 들 수 있다.
샌드위치 구조체나 카나페 구조체의 코어재로서는, 알루미늄이나 아라미드를 포함하는 허니콤 코어나, 폴리우레탄, 폴리스티렌, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리염화비닐, 페놀 수지, 아크릴 수지, 에폭시 수지 등의 폼 코어 및 발사 등의 목재 등을 들 수 있다. 그 중에서도, 코어재로서는 경량의 섬유 강화 복합재료가 얻어진다는 이유에서, 폼 코어가 적합하게 사용된다.
본 발명의 섬유 강화 복합재료는 경량이면서 강도나 탄성률 등의 역학특성이 우수하다. 그로 인해, 항공기나 우주 위성, 산업 기계, 철도 차량, 선박 및 자동차 등의 구조 부재나 외판 등에 바람직하게 사용된다. 또한, 색조, 표면 품위도 우수하다. 그로 인해, 특히 자동차 외판 용도에 바람직하게 사용된다.
실시예
이어서, 실시예에 의해, 본 발명의 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물과 섬유 강화 복합재료에 대해서 더욱 상세하게 설명한다.
<수지 원료>
각 실시예의 2액형 에폭시 수지 조성물을 얻기 위해서, 다음 수지 원료를 사용하였다. 표 1, 2 중의 에폭시 수지 조성물의 함유 비율의 단위는 특별히 언급이 없는 한 「질량부」를 의미한다.
1. 에폭시 수지
·"jER"(등록 상표) 1001(미쯔비시 가가꾸(주)제): 비스페놀 A형 에폭시 수지, 에폭시 당량 475
·"에포토토"(등록 상표) YD-128(신닛떼쯔 스미낑 가가꾸(주)제): 비스페놀 A형 에폭시 수지, 에폭시 당량 189
·"에포토토"(등록 상표) YDF-170(신닛떼쯔 스미낑 가가꾸(주)제): 비스페놀 F형 에폭시 수지, 에폭시 당량 170
·"셀록사이드"(등록 상표) 2021P((주)다이셀제): 지환식 에폭시 수지, 에폭시 당량 137
2. 산 무수물
·HN-5500(히다치 가세이(주)제): 메틸헥사히드로프탈산 무수물
·"가야하드"(등록 상표) MCD(닛본 가야꾸(주)제): 메틸나드산 무수물
3. 4급 암모늄염
·테트라메틸암모늄 브로마이드(도꾜 가세이 고교(주)제)
·테트라메틸암모늄 클로라이드(도꾜 가세이 고교(주)제)
·트리메틸페닐암모늄 브로마이드(도꾜 가세이 고교(주)제)
4. 4급 포스포늄 할라이드
·테트라페닐포스포늄 브로마이드(도꾜 가세이 고교(주)제)
·에틸트리페닐포스포늄 브로마이드(도꾜 가세이 고교(주)제)
·테트라페닐포스포늄 클로라이드(도꾜 가세이 고교(주)제)
5. 이미다졸륨염
·1-부틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드(도꾜 가세이 고교(주)제)
·1-부틸-3-메틸이미다졸륨 브로마이드(도꾜 가세이 고교(주)제)
·1-에틸-3-메틸이미다졸륨 브로마이드(도꾜 가세이 고교(주)제)
6. 기타 물질
·트리에틸렌디아민(도꾜 가세이 고교(주)제)
·메타크실렌디아민(도꾜 가세이 고교(주)제)
·테트라페닐포스포늄 테트라-p-톨릴 보레이트(홋꼬 가가꾸 고교(주)제)
·테트라부틸포스포늄 데칸산염(홋꼬 가가꾸 고교(주)제)
·트리-p-톨릴 포스핀(도꾜 가세이 고교(주)제)
·1,2-디메틸이미다졸(시꼬꾸 가세이 고교(주)제)
·2-에틸-4-메틸이미다졸(시꼬꾸 가세이 고교(주)제).
<에폭시 수지 조성물의 제조>
표 1 내지 4에 기재한 배합비에 따라, 에폭시 수지를 배합해 주제액으로 하였다. 표 1 내지 4에 기재한 배합비로, 성분 [B](각 산 무수물)과 성분 [C](4급 암모늄염, 4급 포스포늄 할라이드, 이미다졸륨염, 기타 물질)를 배합해서 경화제액으로 하였다. 이들 주제액과 경화제액을 사용해, 이들을 표 1 내지 4에 기재한 배합비로 혼합하여, 에폭시 수지 조성물을 제조하였다.
<에폭시 수지 조성물의 점도 측정>
ISO 2884-1(1999)에서의 원뿔 평판형 회전 점도계를 사용한 측정 방법에 준거하여, 에폭시 수지 조성물의 혼합 제조 후의 점도를 측정하여, 점도 안정성의 지표로 하였다. 장치에는, 도끼 산교(주)제의 TVE-33H형을 사용하였다. 여기서 로터는 1° 34'×R24를 사용하고, 측정 온도는 40℃, 샘플량은 1cm3로 하였다.
<유전 측정>
에폭시 수지의 경화를 추적하기 위해서, 유전 측정을 행하였다. 유전 측정 장치로서, Holometrix-Micromet사제의 MDE-10 큐어 모니터를 사용하였다. TMS-1인치형 센서를 하면에 매립한 프로그래머블 미니프레스 MP2000의 하면에, 내경이 32mm이며, 두께가 3mm인 바이톤제 O링을 설치하고, 프레스의 온도를 120℃로 설정하고, O링의 내측에 에폭시 수지 조성물을 주입해 프레스를 폐쇄하고, 에폭시 수지 조성물의 이온 점도의 시간 변화를 추적하였다. 유전 측정은 1, 10, 100, 1000 및 10000Hz의 각 주파수에서 행하고, 부속의 소프트웨어를 사용하여, 주파수 비의존 이온 점도의 대수 Log(α)를 얻었다.
이어서, 다음 (식 4)에 의해 큐어 인덱스를 구하고, 큐어 인덱스가 10%와 90%에 도달하는 시간 t10, t90을 구하였다.
·큐어 인덱스={log(αt)-log(αmin)}/{log(αmax)-log(αmin)}×100… (식 4)
·큐어 인덱스: (단위: %)
·αt: 시간 t에서의 이온 점도(단위: Ω·cm)
·αmin: 이온 점도의 최솟값(단위: Ω·cm)
·αmax: 이온 점도의 최댓값(단위: Ω·cm).
<수지 경화판의 제작>
프레스 장치 하면에, 1변 50mm의 정사각형을 도려 낸, 두께 2mm의 구리제 스페이서를 설치하고, 프레스의 온도를 120℃로 설정하여, 에폭시 수지 조성물을 스페이서의 내측에 주입하고, 프레스를 폐쇄하였다. 20분 후에 프레스를 열어, 수지 경화판을 얻었다.
<경화물의 유리 전이 온도 Tg 측정>
수지 경화판으로부터 폭 12.7mm, 길이 40mm의 시험편을 잘라내고, 레오미터(TA 인스트루먼츠사제 ARES)를 사용하여, 비틀림 DMA 측정을 행하였다. 측정 조건은 승온 속도 5℃/분이다. 측정에서 얻어진 저장 탄성률 G'의 변곡점에서의 온도를 Tg로 하였다.
<경화물 착색>
상기 수지 경화판에 대해서 착색 유무를 판단하였다. 구체적으로는, 수지 경화판으로부터 잘라낸 한 변 30mm의 정사각형, 두께 2mm의 시험편을 사용하고, 분광 측색계(CM-700d, 코니카 미놀타(주)제)를 사용하여, 경화물의 색조를 L*a*b* 표색계로 나타냈다. L*a*b* 표색계는 물질의 색을 나타내는 데 사용되고 있는 것으로 L*로 명도를 나타내고, a*와 b*로 색도를 나타낸다. 여기서,a*는 적 방향, -a*는 녹 방향, b*는 황 방향, -b*는 청 방향을 나타낸다. 측정 조건은 파장 380 내지 780nm의 범위에서, D65 광원, 10° 시야, 정반사광을 포함하지 않는 조건에서의 분광 투과율을 측정하였다. 이때, |a*|≤2이며, 또한 |b*|≤5인 것은 「착색없음」, 그 이외를 「착색 있음」으로 하였다.
<섬유 강화 복합재료의 제작>
역학시험용 섬유 강화 복합 재료로서는, 하기 RTM 성형법에 의해 제작한 섬유 강화 복합재료를 사용하였다.
350mm×700mm×2mm의 판상 캐비티를 갖는 금형에, 강화 섬유로서 탄소 섬유 직물 CO6343(탄소 섬유: T300-3K, 조직: 평직, 단위 면적당 중량: 198g/m2, 도레이(주)제)을 캐비티 내에 9매 적층하고, 프레스 장치로 틀 체결을 행하였다. 이어서, 100℃의 온도(성형 온도)로 유지한 금형 내를, 진공 펌프에 의해, 대기압-0.1MPa로 감압하고, 미리 50℃의 온도로 가온해 둔 에폭시 수지 조성물의 주제액과 경화제액을, 수지 주입기를 사용해서 혼합하고, 0.2MPa의 압력에서 주입하였다. 에폭시 수지 조성물의 주입 개시 후 20분에 금형을 개방하고, 탈형하여, 섬유 강화 복합재료를 얻었다.
<강화 섬유로의 수지 함침성>
상기 섬유 강화 복합재료의 제작 시의 수지 주입 공정에서의 함침성에 대해서, 섬유 강화 복합재료 중의 보이드량을 기준으로 다음 3단계로 비교 평가하였다. 섬유 강화 복합재료 중의 보이드량이 1% 미만으로, 보이드가 실질적으로 존재하지 않는 것을 「A」, 섬유 강화 복합재료의 외관에 수지 미함침 부분은 보이지 않지만, 섬유 강화 복합재료 중의 보이드량이 1% 이상인 것을 「B」, 섬유 강화 복합재료의 외관에 수지 미함침 부분이 보이는 것을 「C」로 하였다.
섬유 강화 복합재료 중의 보이드량은 평활하게 연마한 섬유 강화 복합재료 단면을 낙사(落射)형 광학 현미경으로 관찰하고, 섬유 강화 복합재료 중의 보이드의 면적률로부터 산출하였다.
<섬유 강화 복합재료의 탈형 작업성>
상기 섬유 강화 복합재료의 제작 시의 탈형 공정에서의 작업성에 대해서, 다음 3단계로 비교 평가하였다. 금형을 개방하고, 섬유 강화 복합재료를 스파튤러로 금형으로부터 박리할 때, 저항없이 간단하게 탈형되는 것을 「A」, 저항은 있지만 섬유 강화 복합재료가 소성변형하지 않고 탈형할 수 있는 것(탈형 작업에 시간을 요하기 때문에 실용상은 「A」에 뒤떨어짐)을 「B」, 탈형 곤란 또는 탈형 시에 섬유 강화 복합재료가 소성변형해 버리는 것을 「C」로 하였다.
<섬유 강화 복합재료의 버 발생 억제에 대해서>
상기 방법에 의해 제작된 섬유 강화 복합재료의 버 발생에 대해서, 다음 3단계로 눈으로 보아 비교 평가하였다. 버가 발생하지 않은 것을 「A」, 약간 발생한 것을 「B」, 전체 둘레에 걸쳐 발생한 것을 「C」로 하였다.
표 1 내지 4의 배합비에 따라, 상기한 바와 같이 해서 에폭시 수지 조성물을 혼합 제조하고, 상기한 바와 같이 점도 측정, 유전 측정을 행하였다. 또한, 이 에폭시 수지 조성물로 상기한 방법에 의해 수지 경화판을 제작하고, 유리 전이 온도 Tg 측정, 착색 평가를 행하였다. 또한, 에폭시 수지 조성물을 사용하여, 상기한 방법으로 섬유 강화 복합재료를 제작하였다.
(실시예 1)
표 1에 나타낸 바와 같이, 비스페놀 A형 에폭시 수지 「"에포토토"(등록 상표) YD-128」 100질량부를 포함하는 주제액과, 산 무수물 「HN-5500」 89질량부에 테트라메틸암모늄 브로마이드 6질량부를 80℃에서 가열해서 상용시킨 경화제액으로 에폭시 수지 조성물을 혼합 제조하였다. 이 에폭시 수지 조성물은 40℃의 온도에서 유지해도 증점 배율이 낮게 억제되어, 저점도 상태가 유지되어 있었다. 또한, 120℃의 온도에서의 t90으로 표현되는 탈형 가능 시간이 짧기 때문에, 섬유 강화 복합재료의 성형에 있어서, 성형시간의 단축에도 효과적인 것을 알았다. 또한, 이 에폭시 수지 조성물의 경화물은 Tg가 성형 온도(120℃)를 상회하고, 또한 착색도 없었다. 이로 인해, 이 에폭시 수지 조성물을 사용해서 제작한 섬유 강화 복합재료는 성형품을 금형에서 꺼낼 때에 변형되지 않고 용이하게 탈형할 수 있었다. 결과를 표 1에 나타내었다.
(실시예 2, 3)
테트라메틸암모늄 브로마이드를 각각 18질량부(실시예 2), 25질량부(실시예 3)로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 마찬가지로 실시하였다. 모두 40℃에서의 점도 안정성이 우수하고, 또한 탈형 가능 시간이 짧았다. 또한, 이 에폭시 수지 조성물의 경화물은 Tg가 성형 온도(120℃)를 상회하고, 착색도 없었기 때문에, 이 에폭시 수지 조성물을 사용해서 제작한 섬유 강화 복합재료는 성형품을 금형에서 꺼낼 때에 변형되지 않고 용이하게 탈형할 수 있었다. 결과를 표 1에 나타내었다.
(실시예 4, 5)
비스페놀 F형 에폭시 수지 「"에포토토"(등록 상표) YDF-170」 100질량부를 포함하는 주제액과, 경화제액에는 산 무수물 「HN-5500」 74질량부와 「"가야하드"(등록 상표) MCD」 26질량부, 테트라메틸암모늄 클로라이드를, 실시예 4는 7질량부, 실시예 5는 23질량부로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 마찬가지로 하여 실시하였다. 모두 40℃에서의 점도 안정성이 우수하고, 또한 탈형 가능 시간이 짧았다. 또한, 이 에폭시 수지 조성물의 경화물은 Tg가 성형 온도(120℃)를 상회하고, 착색도 없었기 때문에, 이 에폭시 수지 조성물을 사용해서 제작한 섬유 강화 복합재료는 성형품을 금형에서 꺼낼 때에 변형되지 않고 탈형할 수 있었다. 결과를 표 1에 나타내었다.
(실시예 6, 7)
비스페놀 A형 에폭시 수지 「"jER"(등록 상표) 1001」 75질량부와 지환식 에폭시 수지 「"셀록사이드"(등록 상표) 2021P」 25질량부를 포함하는 주제액과, 경화제액에는 산 무수물 「HN-5500」 100질량부, 트리메틸페닐암모늄 브로마이드를 실시예 6은 6질량부, 실시예 7은 22질량부로 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 마찬가지로 실시하였다. 모두 40℃에서의 점도 안정성이 우수하고, 또한 탈형 가능 시간이 짧았다. 또한, 이 에폭시 수지 조성물의 경화물은 Tg가 성형 온도(120℃)를 상회하고, 착색도 없었기 때문에, 이 에폭시 수지 조성물을 사용해서 제작한 섬유 강화 복합재료는 성형품을 금형에서 꺼낼 때에 변형되지 않고 용이하게 탈형할 수 있었다. 결과를 표 1에 나타내었다.
(비교예 1, 2)
테트라메틸암모늄 브로마이드를 각각 2질량부, 4질량부로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 마찬가지로 실시하였다. 모두 40℃에서의 점도 안정성이 우수하지만, 성분 [C]의 양이 불충분하여, 실시예에 비하여 경화 시간이 길어지기 때문에, 이 에폭시 수지 조성물을 사용해서 제작한 섬유 강화 복합재료는 탈형 가능 시간이 길어지고, 성형 시의 생산성이 떨어졌다. 결과를 표 1에 나타내었다.
(비교예 3)
테트라메틸암모늄 브로마이드를 40질량부로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 마찬가지로 실시하였다. 성분 [C]의 양이 너무 많아, 40℃에서의 증점이 현저하여에폭시 수지 조성물의 40℃에서의 점도 안정성이 떨어지기 때문에, 이 에폭시 수지 조성물을 사용해서 섬유 강화 복합재료를 제작하고자 하면, 강화 섬유로의 수지의 함침성이 떨어졌다. 또한, 이 에폭시 수지 조성물의 경화물은 Tg가 성형 온도(120℃)를 하회하기 때문에, 섬유 강화 복합재료를 탈형할 때에 변형되어버렸다. 결과를 표 1에 나타내었다.
(비교예 4)
비스페놀 F형 에폭시 수지 「"에포토토"(등록 상표) YDF-170」 100질량부를 포함하는 주제액과, 경화제액에는 산 무수물 「HN-5500」 99질량부와 트리에틸렌디아민 6질량부로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 마찬가지로 실시하였다. 본 비교예에서는, 성분 [C]를 함유하지 않기 때문에, 실시예에 비해 경화 시간이 길어지고 있어, 이 에폭시 수지 조성물을 사용한 섬유 강화 복합재료 성형에서는 생산성이 떨어짐과 함께, 경화물이 착색되어 있어 성형체의 품위가 저하되었다. 결과를 표 1에 나타내었다.
(비교예 5)
비스페놀 A형 에폭시 수지 「"에포토토"(등록 상표) YD-128」 100질량부를 포함하는 주제액과, 경화제액에 성분 [B], 성분 [C]를 함유시키지 않고 메타크실렌디아민 18질량부로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 마찬가지로 실시하였다. 본 비교예에서는, 성분 [B] 및 성분 [C]를 함유하지 않기 때문에 에폭시 수지 조성물의 점도가 높고, 또한 증점 배율이 높아 점도의 안정성이 떨어지기 때문에, 이 에폭시 수지 조성물을 사용한 섬유 강화 복합재료 성형에서는, 강화 섬유로의 함침성이 떨어졌다. 결과를 표 1에 나타내었다.
(비교예 6)
성분 [C] 대신 트리-p-톨릴포스핀을 10질량부로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 마찬가지로 실시하였다. 본 비교예는 경화 시간은 짧지만, 120℃의 온도에서의 경화에서는 착색되어 있었다. 결과를 표 1에 나타내었다.
(실시예 8)
표 2에 나타낸 바와 같이, 비스페놀 F형 에폭시 수지 「"에포토토"(등록 상표) YDF-170」 100질량부를 포함하는 주제액과, 경화제액에는 산 무수물 「HN-5500」 74질량부와 「"가야하드"(등록 상표) MCD」 26질량부에, 에틸트리페닐포스포늄 브로마이드 6질량부를 90℃에서 가열해서 상용시킨 경화제액으로 에폭시 수지 조성물을 제조하였다. 이 에폭시 수지 조성물은 40℃의 온도에서의 유지 시에, 혼합 제조 후 5분 후까지는 급한 점도 상승을 나타내고, 거기에서 20분 후까지는 증점이 억제되고, 저점도 상태가 유지되었다. 또한, 120℃의 온도에서의 t90으로 표현되는 탈형 가능 시간이 짧기 때문에, 섬유 강화 복합재료의 성형에 있어서, 성형시간의 단축에도 효과적인 것을 알았다. 또한, 이 에폭시 수지 조성물의 경화물은 Tg가 성형 온도(120℃)를 상회하고, 또한 착색도 없어, 이 에폭시 수지 조성물을 사용해서 제작한 섬유 강화 복합재료는 금형에서 꺼낼 때에 변형되지 않고 용이하게 탈형할 수 있고, 또한 성형체의 버도 적었다. 결과를 표 2에 나타내었다.
(실시예 9, 10)
에틸트리페닐포스포늄 브로마이드를 각각 표 2에 나타낸 양으로 한 것을 제외하고는 실시예 8과 마찬가지로 실시하였다. 모두 혼합 제조 후의 점도 상승과 그 후 40℃에서의 점도 안정성이 우수하고, 또한 탈형 가능 시간이 짧았다. 또한, 이 에폭시 수지 조성물의 경화물은 Tg가 성형 온도(120℃)를 상회하고, 착색도 없었기 때문에, 이 에폭시 수지 조성물을 사용해서 제작한 섬유 강화 복합재료는 금형에서 꺼낼 때에 변형되지 않고 용이하게 탈형할 수 있고, 또한 버도 적었다. 결과를 표 2에 나타내었다.
(실시예 11 내지 13)
비스페놀 A형 에폭시 수지 「"에포토토"(등록 상표) YD-128」을 포함하는 주제액과, 경화제액에는 산 무수물 「HN-5500」, 테트라페닐포스포늄 브로마이드를 각각 표 2에 나타낸 양으로 한 것을 제외하고는 실시예 8과 마찬가지로 실시하였다. 모두 혼합 제조 후의 점도 상승과 40℃에서의 점도 안정성이 우수하고, 또한 탈형 가능 시간이 짧았다. 또한, 이 에폭시 수지 조성물의 경화물은 Tg가 성형 온도(120℃)를 상회하고, 착색도 없었기 때문에, 이 에폭시 수지 조성물을 사용해서 제작한 섬유 강화 복합재료는 금형에서 꺼낼 때에 변형되지 않고 용이하게 탈형할 수 있고, 또한 버도 적었다. 결과를 표 2에 나타내었다.
(실시예 14, 15)
비스페놀 A형 에폭시 수지 「"에포토토"(등록 상표) YD-128」과 「"셀록사이드"(등록 상표) 2021P」를 조합하여, 실온 하 25℃에서 상용시킨 주제액과, 경화제액에는 산 무수물 「HN-5500」, 테트라페닐포스포늄 브로마이드를 표 2에 나타낸 양으로 한 것을 제외하고는 실시예 8과 마찬가지로 실시하였다. 모두 혼합 제조 후의 점도 상승과 40℃에서의 점도 안정성이 우수하고, 또한 탈형 가능 시간이 짧았다. 또한, 이 에폭시 수지 조성물의 경화물은 Tg가 성형 온도(120℃)근방이며, 착색도 없었기 때문에, 이 에폭시 수지 조성물을 사용해서 제작한 섬유 강화 복합재료는 금형에서 꺼낼 때에 변형되지 않고 용이하게 탈형할 수 있고, 또한 버도 적었다. 결과를 표 2에 나타내었다.
(실시예 16 내지 18)
표 2에 나타낸 바와 같이, 비스페놀 A형 에폭시 수지 「"jER"(등록 상표) 1001」과 비스페놀 F형 에폭시 수지 「"에포토토"(등록 상표) YDF-170」을 조합하여, 90℃에서 가열해서 상용시킨 주제액과, 경화제액에는 산 무수물 「HN-5500」, 테트라페닐포스포늄 클로라이드를 표 2에 나타낸 양으로 한 것을 제외하고는 실시예 8과 마찬가지로 실시하였다. 모두 혼합 제조 후의 점도 상승과 40℃에서의 점도 안정성이 우수하고, 또한 탈형 가능 시간이 짧았다. 또한, 이 에폭시 수지 조성물의 경화물은 Tg가 성형 온도(120℃)근방이며, 착색도 없었기 때문에, 이 에폭시 수지 조성물을 사용해서 제작한 섬유 강화 복합재료는 금형에서 꺼낼 때에 변형되지 않고 용이하게 탈형할 수 있고, 또한 버도 적었다. 결과를 표 2에 나타내었다.
(비교예 7)
비교예 7은 에틸트리페닐포스포늄 브로마이드를 5질량부로 한 것을 제외하고는 실시예 12와 마찬가지로 실시하였다. 혼합 제조 후의 점도 상승과 40℃에서의 점도 안정성이 우수하지만, 성분 [C]의 양이 불충분하여, 실시예에 비하여 경화 시간이 길어지고, 또한 혼합 제조 후의 점도 상승이 불충분하여, 이 에폭시 수지 조성물을 사용해서 제작한 섬유 강화 복합재료는 성형 시에 다수의 버가 발생해 성형체 품위가 저하되었다. 결과를 표 2에 나타내었다.
(비교예 8)
테트라페닐포스포늄 브로마이드를 30부로 한 것을 제외하고는 실시예 14와 마찬가지로 실시하였다. 성분 [C]의 양이 너무 많아, 40℃에서의 증점이 현저하여 40℃에서의 점도 안정성이 떨어지기 때문에, 이 에폭시 수지 조성물을 사용해서 제작한 섬유 강화 복합재료는 강화 섬유로의 함침성이 떨어지고, 금형에서 꺼낼 때에 변형을 수반하고, 생산성이 떨어졌다. 결과를 표 2에 나타내었다.
(비교예 9)
성분 [C]를 대신해 테트라페닐포스포늄 테트라-p-톨릴 보레이트 17질량부로 한 것을 제외하고는 실시예 12와 마찬가지로 실시하였다. 비교예 9에서는, 성분 [C]를 함유하지 않기 때문에, 실시예에 비해 경화 시간이 길어지고, 또한 혼합 제조 후의 점도 상승은 표 3에 나타낸 바와 같이, 40℃ 외에, 30℃, 60℃에서도, 혼합 제조 후의 점도 상승은 발현하지 않았다. 이 에폭시 수지 조성물을 사용한 섬유 강화 복합재료 성형은 성형체에 다수의 버가 발생해 성형체의 품위가 저하되었다. 결과를 표 2에 나타내었다.
(비교예 10)
성분 [C]를 대신해 테트라부틸포스포늄 데칸산염 18질량부로 한 것을 제외하고는 실시예 12와 마찬가지로 실시하였다. 비교예 10에서는, 성분 [C]를 함유하지 않기 때문에, 실시예에 비해 경화 시간이 길어지고, 또한 혼합 제조 후의 점도 상승은 표 3에 나타낸 바와 같이, 40℃ 외에, 30℃, 60℃에서도, 혼합 제조 후의 점도 상승은 발현하지 않았다. 이 에폭시 수지 조성물을 사용한 섬유 강화 복합재료 성형은 성형체에 다수의 버가 발생해 성형체의 품위가 저하되었다. 결과를 표 2에 나타내었다.
(비교예 11)
경화제액에 산 무수물 「HN-5500」과, 성분 [C]를 대신해 트리-p-톨릴포스핀을 10질량부로 한 것을 제외하고는 실시예 8과 마찬가지로 실시하였다. 본 비교예는 경화 시간은 짧지만, 120℃의 온도에서의 경화에서는 착색되어 있었다. 또한, 혼합 제조 후의 점도 상승, 표 3에 나타낸 바와 같이, 40℃ 외에, 30℃, 60℃에서도, 혼합 제조 후의 점도 상승은 발현하지 않았다. 성형체에 다수의 버가 발생해 성형체의 품위가 저하되었다. 결과를 표 2에 나타내었다.
(실시예 19)
표 4에 나타낸 바와 같이, 비스페놀 A형 에폭시 수지 「"에포토토"(등록 상표) YD-128」 100질량부를 포함하는 주제액과, 산 무수물 「HN-5500」 89질량부에 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드 6질량부를 80℃에서 가열해서 상용시킨 경화제액으로 에폭시 수지 조성물을 혼합 제조하였다. 이 에폭시 수지 조성물은 40℃의 온도로 유지해도 증점 배율이 낮게 억제되어, 저점도의 상태가 유지되었다. 또한, 120℃의 온도에서의 t90으로 표현되는 탈형 가능 시간이 짧기 때문에, 섬유 강화 복합재료의 성형에 있어서, 성형시간의 단축에도 효과적인 것을 알았다. 또한, 이 에폭시 수지 조성물의 경화물은 Tg가 성형 온도(120℃)를 상회하고, 또한 착색도 없었다. 이로 인해, 이 에폭시 수지 조성물을 사용해서 제작한 섬유 강화 복합재료는 성형품을 금형에서 꺼낼 때에 변형되지 않고 용이하게 탈형할 수 있었다. 결과를 표 4에 나타내었다.
(실시예 20 내지 22)
1-부틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드를 각각 10질량부(실시예 20), 18질량부(실시예 21), 25질량부(실시예 22)로 한 것을 제외하고는 실시예 19와 마찬가지로 실시하였다. 모두 40℃에서의 점도 안정성이 우수하고, 또한 탈형 가능 시간이 짧았다. 또한, 이 에폭시 수지 조성물의 경화물은 Tg가 성형 온도(120℃)를 상회하고, 착색도 없었기 때문에, 이 에폭시 수지 조성물을 사용해서 제작한 섬유 강화 복합재료는 성형품을 금형에서 꺼낼 때에 변형되지 않고 용이하게 탈형할 수 있었다. 결과를 표 4에 나타내었다.
(실시예 23, 24)
비스페놀 F형 에폭시 수지 「"에포토토"(등록 상표) YDF-170」 100질량부를 포함하는 주제액과, 경화제액에는 산 무수물 「HN-5500」 74질량부와 「"가야하드"(등록 상표) MCD」 26질량부, 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 브로마이드를 각각 7질량부(실시예 23), 24질량부(실시예 24)로 한 것을 제외하고는 실시예 19와 마찬가지로 실시하였다. 모두 40℃에서의 점도 안정성이 우수하고, 또한 탈형 가능 시간이 짧았다. 또한, 이 에폭시 수지 조성물의 경화물은 Tg가 성형 온도(120℃)를 상회하거나 근방이며, 착색도 없었기 때문에, 이 에폭시 수지 조성물을 사용해서 제작한 섬유 강화 복합재료는 성형품을 금형에서 꺼낼 때에 변형되지 않고 탈형할 수 있었다. 결과를 표 4에 나타내었다.
(실시예 25, 26)
비스페놀 A형 에폭시 수지 「"jER"(등록 상표) 1001」 75질량부와 지환식 에폭시 수지 「"셀록사이드"(등록 상표) 2021P」 25 질량부를 포함하는 주제액과, 경화제액에는 산 무수물 「HN-5500」 100질량부, 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 브로마이드를 각각 6질량부(실시예 25), 22질량부(실시예 26)로 한 것을 제외하고는 실시예 19와 마찬가지로 실시하였다. 모두 40℃에서의 점도 안정성이 우수하고, 또한 탈형 가능 시간이 짧았다. 또한, 이 에폭시 수지 조성물의 경화물은 Tg가 성형 온도(120℃)를 상회하고, 착색도 없었기 때문에, 이 에폭시 수지 조성물을 사용해서 제작한 섬유 강화 복합재료는 성형품을 금형에서 꺼낼 때에 변형되지 않고 용이하게 탈형할 수 있었다. 결과를 표 4에 나타내었다.
(비교예 12)
1-부틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드를 4질량부로 한 것을 제외하고는 실시예 19와 마찬가지로 실시하였다. 모두 40℃에서의 점도 안정성이 우수하지만, 성분 [C]의 양이 불충분하여, 실시예에 비하여 경화 시간이 길어지기 때문에, 이 에폭시 수지 조성물을 사용해서 제작한 섬유 강화 복합재료는 탈형 가능 시간이 길어져, 성형 시의 생산성이 떨어졌다. 결과를 표 4에 나타내었다.
(비교예 13)
1-부틸-3-메틸이미다졸륨 클로라이드를 40질량부로 한 것을 제외하고는 실시예 19와 마찬가지로 실시하였다. 성분 [C]의 양이 너무 많아, 40℃에서의 증점이 현저하여 에폭시 수지 조성물의 40℃에서의 점도 안정성이 떨어지기 때문에, 이 에폭시 수지 조성물을 사용해서 섬유 강화 복합재료를 제작하고자 하면, 강화 섬유로의 수지의 함침성이 떨어졌다. 또한, 이 에폭시 수지 조성물의 경화물은 Tg가 성형 온도(120℃)를 하회하기 때문에, 섬유 강화 복합재료를 탈형할 때에 변형되어버렸다. 결과를 표 4에 나타내었다.
(비교예 14)
성분 [C] 대신 1,2-디메틸이미다졸 10질량부로 한 것을 제외하고는 실시예 19와 마찬가지로 실시하였다. 비교예 14에서는 성분 [C]를 함유하지 않기 때문에, 실시예에 비해 40℃ 20분 후의 증점 배율이 높아 점도의 안정성이 떨어지기 때문에, 이 에폭시 수지 조성물을 사용한 섬유 강화 복합재료 성형에서는 강화 섬유로의 함침성이 떨어지고, 경화물이 착색되어 있었다. 결과를 표 4에 나타내었다.
(비교예 15)
비스페놀 A형 에폭시 수지 「"에포토토"(등록 상표) YD-128」 100질량부를 포함하는 주제액과, 경화제액에 성분 [B], 성분 [C]를 함유시키지 않고 2-에틸-4-메틸이미다졸 10질량부로 한 것을 제외하고는 실시예 19와 마찬가지로 실시하였다. 본 비교예에서는 성분 [B] 및 성분 [C]를 함유하지 않기 때문에 에폭시 수지 조성물의 점도가 높고, 또한 증점 배율이 높아 점도의 안정성이 떨어지기 때문에, 이 에폭시 수지 조성물을 사용한 섬유 강화 복합재료 성형에서는 강화 섬유로의 함침성이 떨어지고, 또한 경화물이 착색되어 있었다. 결과를 표 4에 나타내었다.
이상과 같이, 본 발명의 에폭시 수지 조성물은 섬유 강화 복합재료의 성형에 적합하고, RTM법 등에 의해, 외관, 표면 품위도 우수한 섬유 강화 복합재료를 생산성 높게 단시간에 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 에폭시 수지 조성물은 큰 형상의 섬유 강화 복합재료의 성형에도 우수하고, 특히 자동차 부재로의 적용에 적합하다.
Figure 112017092057544-pct00002
Figure 112017092057544-pct00003
Figure 112017092057544-pct00004
Figure 112017092057544-pct00005
본 발명의 2액형 에폭시 수지 조성물은 에폭시 수지 제조 시의 작업성이 우수하고, 혼합 제조 후의 에폭시 수지 조성물의 저온(예를 들어, 40℃)에서의 점도 안정성이 우수하고, 성형 시에 단시간에 경화하고, 고품위의 섬유 강화 복합재료를 부여하기 때문에, RTM법 등에 의해 고품위의 섬유 강화 복합재료를 높은 생산성으로 제공 가능하게 된다. 이에 의해, 특히 자동차 용도로의 섬유 강화 복합재료의 적용이 진행되고, 자동차의 가일층의 경량화에 의한 연비 향상, 지구 온난화 가스 배출 삭감에 대한 공헌을 기대할 수 있다.

Claims (14)

  1. 다음 성분 [A] 내지 성분 [C]를 포함하고,
    성분 [C]의 함유량이 성분 [A] 100질량부에 대하여 6 내지 25질량부인, 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물.
    성분 [A]: 에폭시 수지
    성분 [B]: 산 무수물
    성분 [C]: 4급 포스포늄 브로마이드 또는 테트라페닐포스포늄 할라이드 또는 이미다졸륨 할라이드
  2. 제1항에 있어서, 전 성분의 혼합으로부터 5분 후의 점도가 혼합으로부터 1분 후의 점도의 1.5배 이상 4.0배 이하이고, 혼합으로부터 20분 후의 점도가 혼합으로부터 5분 후 점도의 1.0배 이상 2.0배 이하인 온도 T1을 갖고, 그 온도 T1이 30℃ 이상 60℃ 이하인, 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 성분 [D]로서 강화 섬유를 포함하는, 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물.
  4. 제2항에 있어서, 성분 [D]로서 강화 섬유를 포함하는, 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 성분 [D]가 탄소 섬유인, 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 성분 [B]가 지환식 구조를 갖는, 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물.
  7. 제5항에 있어서, 성분 [B]가 지환식 구조를 갖는, 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물.
  8. 제3항 또는 제4항에 기재된 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물을 경화해서 이루어지는, 섬유 강화 복합재료.
  9. 제5항에 기재된 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물을 경화해서 이루어지는, 섬유 강화 복합재료.
  10. 제6항에 기재된 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물을 경화해서 이루어지는, 섬유 강화 복합재료.
  11. 제7항에 기재된 섬유 강화 복합재료용 2액형 에폭시 수지 조성물을 경화해서 이루어지는, 섬유 강화 복합재료.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6447557B2 (ja) * 2016-03-24 2019-01-09 日亜化学工業株式会社 発光装置の製造方法
KR20190022488A (ko) * 2016-06-24 2019-03-06 도레이 카부시키가이샤 섬유 강화 복합 재료용 2액형 에폭시 수지 조성물 및 섬유 강화 복합 재료
CN107964217B (zh) * 2017-12-14 2020-11-17 郑州四维特种材料有限责任公司 一种碳纤维增强复合材料树脂基体、碳纤维增强复合材料及其制备方法、乒乓球拍底板
US11364690B2 (en) * 2018-02-08 2022-06-21 Giant Manufacturing Co., Ltd. Resin-based composite structure and method for forming resin-based composite structure
JPWO2021157442A1 (ko) 2020-02-03 2021-08-12
US20230051301A1 (en) * 2021-08-13 2023-02-16 Robert K. Hughes, Jr. Fiber enhanced epoxy and delivery system

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000510497A (ja) 1994-07-01 2000-08-15 チバ スペシャルティ ケミカルズ ホールディング インコーポレーテッド エポキシ樹脂注型用組成物
JP2006036862A (ja) 2004-07-23 2006-02-09 Daicel Chem Ind Ltd 電気絶縁性注型用エポキシ樹脂組成物及び硬化物、並びに熱硬化性接着剤組成物
JP2010529271A (ja) 2007-06-11 2010-08-26 ビーエーエスエフ ソシエタス・ヨーロピア エポキシ硬化のための触媒
JP2012144831A (ja) 2010-12-24 2012-08-02 Toray Ind Inc サイジング剤塗布炭素繊維の製造方法

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2090257A (en) * 1980-12-29 1982-07-07 Ciba Geigy Ag Use of transparent anhydride- curable epoxy casting resins
JPH0668016B2 (ja) * 1988-04-26 1994-08-31 三洋化成工業株式会社 エポキシ樹脂組成物
JPH0218445A (ja) * 1988-07-06 1990-01-22 Toshiba Corp 注形用エポキシ樹脂組成物
JP2716643B2 (ja) * 1993-03-04 1998-02-18 住友ベークライト株式会社 液状エポキシ樹脂組成物
AU6015896A (en) * 1995-06-15 1997-01-15 Nissan Chemical Industries Ltd. Epoxy/acid anhydride composition
US6613839B1 (en) * 1997-01-21 2003-09-02 The Dow Chemical Company Polyepoxide, catalyst/cure inhibitor complex and anhydride
JP2005330335A (ja) * 2004-05-18 2005-12-02 Nitto Denko Corp 光半導体素子封止用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた光半導体装置
JP4752326B2 (ja) * 2004-12-27 2011-08-17 Dic株式会社 成形用エポキシ樹脂組成物、成形硬化物、及びその成形硬化物の製造方法
JP5604771B2 (ja) 2006-04-24 2014-10-15 東レ株式会社 エポキシ樹脂組成物、繊維強化複合材料およびその製造方法
CN101687977B (zh) * 2007-06-14 2012-08-15 巴斯夫欧洲公司 用于固化环氧化物的催化剂
TW200913181A (en) * 2007-07-10 2009-03-16 Arakawa Chem Ind Optical semiconductor-sealing composition
KR101547874B1 (ko) * 2007-07-26 2015-08-27 아지노모토 가부시키가이샤 수지 조성물
JP5159561B2 (ja) * 2008-10-29 2013-03-06 新日本理化株式会社 エポキシ樹脂系組成物及びエポキシ樹脂系薄膜
CA2797407A1 (en) * 2010-06-30 2012-01-05 Toray Industries, Inc. Method for producing sizing agent-coated carbon fibers, and sizing agent-coated carbon fibers
US9309352B2 (en) * 2011-01-27 2016-04-12 Toray Industries, Inc. Epoxy resin composition for resin transfer molding of fiber-reinforced composite material, fiber-reinforced composite material, and method for producing same
JP5647071B2 (ja) * 2011-05-24 2014-12-24 日東電工株式会社 光半導体装置用エポキシ樹脂組成物およびそれを用いた光半導体装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000510497A (ja) 1994-07-01 2000-08-15 チバ スペシャルティ ケミカルズ ホールディング インコーポレーテッド エポキシ樹脂注型用組成物
JP2006036862A (ja) 2004-07-23 2006-02-09 Daicel Chem Ind Ltd 電気絶縁性注型用エポキシ樹脂組成物及び硬化物、並びに熱硬化性接着剤組成物
JP2010529271A (ja) 2007-06-11 2010-08-26 ビーエーエスエフ ソシエタス・ヨーロピア エポキシ硬化のための触媒
JP2012144831A (ja) 2010-12-24 2012-08-02 Toray Ind Inc サイジング剤塗布炭素繊維の製造方法

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