TW202340311A - 預浸體、碳纖維強化塑膠及預浸體的製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種硬化物的韌性或彈性係數得到改善的預浸體。本發明的預浸體的一形態包含基質樹脂組成物與碳纖維,所述基質樹脂組成物包含環氧樹脂及特定的結構式所表示的(甲基)丙烯酸單體。
Description
本發明是有關於一種預浸體、碳纖維強化塑膠及預浸體的製造方法。
本申請案基於2022年2月8日在日本提出申請的日本專利特願2022-017599號、及2022年2月28日在日本提出申請的日本專利特願2022-029211號而主張優先權,並將其內容引用至本申請案中。
纖維強化塑膠為輕量且為高強度、高剛性,因此可廣泛用於運動/休閒用途以及汽車或航空器等產業用途中。作為纖維強化塑膠的製造方法,有使用使包含強化纖維等長纖維(連續纖維)的增強材料含浸基質樹脂所得的中間材料、即預浸體的方法。根據該方法,可容易管理纖維強化塑膠的強化纖維的含量,提高纖維含量。可藉由將多片預浸體積層並進行加熱硬化,來獲得成形物。
出於輕量化的需求,作為強化纖維,使用比強度、比彈性係數優異的碳纖維,作為基質樹脂,大多使用與所述碳纖維的接著性優異的環氧樹脂。然而,環氧樹脂一般而言有其硬化物脆、韌性低的傾向。因此,使用環氧樹脂作為基質樹脂的纖維強化塑膠的斷裂韌性或耐衝擊性亦有降低的傾向。因此,提高環氧樹脂的韌性是自古以來的技術性課題。先前,藉由添加聚醚碸等工程塑膠或嵌段共聚物等作為改質劑,利用於環氧樹脂的硬化過程中產生的相分離結構來進行強韌性化。但是,於所述方法中,有硬化物的玻璃轉移溫度(Tg)或彈性係數降低的傾向,而且無法避免由添加聚合物引起的黏度大幅度上升。另外,由於需要預先合成聚合物,因此亦會產生製程複雜化或成本上升等缺點。
為解決該些課題,嘗試使作為改質劑聚合物的基礎的單體藉由「原位(in situ)聚合法」於體系內聚合,使改質劑聚合物的生成與環氧樹脂的硬化反應同時進行(非專利文獻1)。藉由原位聚合法,可避免基質樹脂的黏度大幅度上升,而且可根據單體的選擇而生成任意的聚合物,因此與基質樹脂配合的改質劑聚合物的設計與複合化變得容易。該嘗試中使用藉由自由基聚合而生成的聚合物作為改質劑,且於纖維強化塑膠的領域中,亦推進併用環氧樹脂與自由基聚合性單體來製造中間材料的技術開發(專利文獻1~專利文獻3)。
[現有技術文獻]
[非專利文獻]
[非專利文獻1]大山俊幸、「網狀聚合物」、36, 211(2015)
[專利文獻]
[專利文獻1]日本專利第3669090號公報
[專利文獻2]日本專利特開平11-43547號公報
[專利文獻3]日本專利第5424021號公報
[發明所欲解決之課題]
本發明的目的之一在於提供一種硬化物的韌性或彈性係數得到改善的預浸體。
[解決課題之手段]
本發明包含以下的形態。
[1]一種預浸體,包含基質樹脂組成物與碳纖維,所述預浸體中,所述基質樹脂組成物包含環氧樹脂及下述結構式(1)所表示的(甲基)丙烯酸單體。
[化1]
(式(1)中,R表示氫原子或甲基,X表示選自由可具有選自由碳數1~10的脂肪族烴基、羥基、及鹵素原子所組成的群組中的取代基的芳基;脂環式結構;以及雜環式結構所組成的群組中的結構,n表示1~30的整數)
[2]如[1]所述的預浸體,其中所述基質樹脂組成物包含硬化劑。
[3]如[2]所述的預浸體,其中所述硬化劑包含選自由二氰二胺、芳香族胺類、脲類、及咪唑類所組成的群組中的至少一種。
[4]如[1]至[3]中任一項所述的預浸體,其中所述基質樹脂組成物包含熱自由基聚合起始劑。
[5]如[4]所述的預浸體,其中相對於所述(甲基)丙烯酸單體100質量份,包含0.1質量份~10質量份的所述熱自由基聚合起始劑。
[6]如[4]或[5]所述的預浸體,其中所述熱自由基聚合起始劑包含有機過氧化物類。
[7]如[4]至[6]中任一項所述的預浸體,其中所述熱自由基聚合起始劑包含10小時半衰期溫度為70℃以上的化合物。
[8]如[1]至[7]中任一項所述的預浸體,其中所述式(1)中,X為選自由具有選自由碳數1~10的脂肪族烴基、羥基、及鹵素原子所組成的群組中的取代基的芳基;脂環式結構;以及雜環式結構所組成的群組中的結構。
[9]如[1]至[8]中任一項所述的預浸體,其中所述式(1)中,n表示2~30的整數。
[10]如[1]至[9]中任一項所述的預浸體,其中所述(甲基)丙烯酸單體的聚合體的玻璃轉移溫度為所述環氧樹脂的硬化物的玻璃轉移溫度以下。
[11]如[1]至[10]中任一項所述的預浸體,其中所述(甲基)丙烯酸單體的平均雙鍵當量為150 g/eq以上。
[12]如[1]至[11]中任一項所述的預浸體,其中相對於所述環氧樹脂100質量份,包含5質量份~45質量份的所述(甲基)丙烯酸單體。
[13]如[1]至[12]中任一項所述的預浸體,其中所述(甲基)丙烯酸單體包含分子量190以上的(甲基)丙烯酸單體。
[14]如[1]至[13]中任一項所述的預浸體,其中相對於所述(甲基)丙烯酸單體的總質量,包含70質量%以上的單官能(甲基)丙烯酸單體。
[15]一種纖維強化塑膠,是使如[1]至[14]中任一項所述的預浸體硬化而成。
[16]一種預浸體,包含含有下述結構要素[A]~結構要素[D]的基質樹脂組成物與碳纖維,所述預浸體中,所述基質樹脂組成物於70℃下的黏度為10 Pa·s以上,所述[B]的平均雙鍵當量為160 g/eq以上。
[A]環氧樹脂
[B](甲基)丙烯酸單體
[C]硬化劑
[D]熱自由基聚合起始劑
[17]如[16]所述的預浸體,其中所述基質樹脂組成物於下述硬化條件下硬化時的硬化物具有海島相分離結構,所述[A]的硬化物構成海相,所述[B]的聚合體構成島相。
硬化條件;將基質樹脂組成物注入至兩片玻璃板之間而成形為厚度2 mm的板狀,以2℃/分鐘升溫至烘箱環境溫度130℃,並於130℃下保持120分鐘。
[18]如[16]或[17]所述的預浸體,其中相對於所述環氧樹脂的總質量,包含30質量%以上的分子量為500以上的環氧樹脂。
[19]如[16]至[18]中任一項所述的預浸體,其中所述[A]的重量平均分子量為1500以上。
[20]如[16]至[19]中任一項所述的預浸體,其中所述[A]的平均環氧當量為200 g/eq以上。
[21]如[16]至[20]中任一項所述的預浸體,其中所述[A]包含具有噁唑啶酮(oxazolidone)環骨架的環氧樹脂或雙酚F型環氧樹脂。
[22]如[16]至[21]中任一項所述的預浸體,其中相對於所述[A]100質量份,包含5質量份~45質量份的所述[B]。
[23]如[16]至[22]中任一項所述的預浸體,其中所述[B]包含分子量190以上的(甲基)丙烯酸單體。
[24]如[16]至[23]中任一項所述的預浸體,其中相對於所述[B]的總質量,包含70質量%以上的單官能(甲基)丙烯酸單體。
[25]如[16]至[24]中任一項所述的預浸體,其中所述[B]包含於分子內具有一個以上的氧伸乙基的(甲基)丙烯酸單體。
[26]如[16]至[25]中任一項所述的預浸體,其中所述[B]包含於分子內具有一個以上的環狀骨架的(甲基)丙烯酸單體。
[27]如[16]至[26]中任一項所述的預浸體,其中所述[B]的聚合體的玻璃轉移溫度為所述[A]的硬化物的玻璃轉移溫度以下。
[28]如[16]至[27]中任一項所述的預浸體,其中所述[C]包含選自由二氰二胺、芳香族胺類、脲類、及咪唑類所組成的群組中的至少一種。
[29]如[16]至[28]中任一項所述的預浸體,其中相對於所述[C]的總質量,包含50質量%以上的[C1]熔點為70℃以上的成分。
[30]如[16]至[29]中任一項所述的預浸體,其中相對於所述[B]100質量份,包含0.1質量份~10質量份的所述[D]。
[31]如[16]至[30]中任一項所述的預浸體,其中所述[D]包含[D1]有機過氧化物類。
[32]如[16]至[31]中任一項所述的預浸體,其中所述[D]包含10小時半衰期溫度為70℃以上的化合物。
[33]如[16]至[32]中任一項所述的預浸體,其中所述基質樹脂組成物是於下述硬化條件下硬化後的硬化物的美國材料試驗協會(American Society for Testing Materials,ASTM)D5045中測定的平面應變斷裂韌性K
Ic為1.6 MPa·m
1/2以上者。
硬化條件;將基質樹脂組成物注入至兩片玻璃板之間而成形為厚度2 mm的板狀,以2℃/分鐘升溫至烘箱環境溫度130℃,並於130℃下保持120分鐘。
[34]如[16]至[33]中任一項所述的預浸體,其中所述基質樹脂組成物是於下述硬化條件下硬化後的硬化物的ASTM D5045中測定的應變能量釋放率G
Ic為0.7 kJ/m
2以上者。
硬化條件;將基質樹脂組成物注入至兩片玻璃板之間而成形為厚度2 mm的板狀,以2℃/分鐘升溫至烘箱環境溫度130℃,並於130℃下保持120分鐘。
[35]一種纖維強化塑膠,是使如[16]至[34]中任一項所述的預浸體硬化而成。
[36]一種預浸體的製造方法,使包含下述結構要素[A]~結構要素[D]的基質樹脂組成物含浸於碳纖維基材中,所述預浸體的製造方法中,
以所述基質樹脂組成物於70℃下的黏度為10 Pa·s以上,且所述基質樹脂組成物中的所述[B]的平均雙鍵當量為160 g/eq以上的方式包含所述[B]的配方。
[A]環氧樹脂
[B](甲基)丙烯酸單體
[C]硬化劑
[D]熱自由基聚合起始劑
[37]一種纖維強化塑膠,包含碳纖維、環氧樹脂硬化物、及下述結構式(1)所表示的(甲基)丙烯酸單體來源的聚合體。
[化2]
(式(1)中,R表示氫原子或甲基,X表示選自由可具有選自由碳數1~10的脂肪族烴基、羥基、及鹵素原子所組成的群組中的取代基的芳基;脂環式結構;以及雜環式結構所組成的群組中的結構,n表示1~30的整數)
[38]如[37]所述的纖維強化塑膠,其中所述式(1)中,X為選自由具有選自由碳數1~10的脂肪族烴基、羥基、及鹵素原子所組成的群組中的取代基的芳基;脂環式結構;以及雜環式結構所組成的群組中的結構。
[39]如[37]或[38]所述的纖維強化塑膠,其中所述式(1)中,n表示2~30的整數。
[40]一種預浸體,包含基質樹脂組成物與碳纖維,所述預浸體中,所述基質樹脂組成物是於下述硬化條件下硬化後的硬化物的ASTM D5045中測定的平面應變斷裂韌性K
Ic為1.6 MPa·m
1/2以上者。
硬化條件;將基質樹脂組成物注入至兩片玻璃板之間而成形為厚度2 mm的板狀,以2℃/分鐘升溫至烘箱環境溫度130℃,並於130℃下保持120分鐘。
[41]如[40]所述的預浸體,其中所述平面應變斷裂韌性K
Ic為2.2 MPa·m
1/2以上。
[42]如[41]所述的預浸體,其中於所述硬化條件下硬化後的硬化物的ASTM D5045中測定的應變能量釋放率G
Ic為0.7 kJ/m
2以上。
[43]如[40]至[42]中任一項所述的預浸體,其中於所述硬化條件下硬化後的硬化物的ASTM D5045中測定的應變能量釋放率G
Ic為1.2 kJ/m
2以上。
[44]如[40]至[43]中任一項所述的預浸體,其中所述基質樹脂組成物包含環氧樹脂。
[45]如[40]至[44]中任一項所述的預浸體,其中所述基質樹脂組成物包含(甲基)丙烯酸單體。
[46]如[40]至[45]中任一項所述的預浸體,其中所述基質樹脂組成物包含下述結構式(1)所表示的(甲基)丙烯酸單體。
[化3]
(式(1)中,R表示氫原子或甲基,X表示選自由可具有選自由碳數1~10的脂肪族烴基、羥基、及鹵素原子所組成的群組中的取代基的芳基;脂環式結構;以及雜環式結構所組成的群組中的結構,n表示1~30的整數)
[47]如[46]所述的預浸體,其中所述式(1)中,X為選自由具有選自由碳數1~10的脂肪族烴基、羥基、及鹵素原子所組成的群組中的取代基的芳基;脂環式結構;以及雜環式結構所組成的群組中的結構。
[48]如[46]或[47]所述的預浸體,其中所述式(1)中,n表示2~30的整數。
[49]如[40]至[48]中任一項所述的預浸體,其中所述基質樹脂組成物包含選自由二氰二胺、芳香族胺類、脲類、及咪唑類所組成的群組中的至少一種。
[1a]一種預浸體,滿足(a)或(b)。
(a)一種預浸體,包含含有下述結構要素[A]~結構要素[D]的基質樹脂組成物與碳纖維,所述基質樹脂組成物於70℃下的黏度為10 Pa·s以上,[B]的平均雙鍵當量為150 g/eq以上。
[A]環氧樹脂
[B](甲基)丙烯酸單體
[C]硬化劑
[D]熱自由基聚合起始劑
(b)一種預浸體,包含含有下述結構要素[A]~結構要素[D]的基質樹脂組成物與碳纖維,所述基質樹脂組成物於70℃下的黏度為10 Pa·s以上。
[A]環氧樹脂
[B]下述結構式(1)所表示的(甲基)丙烯酸單體
[C]硬化劑
[D]熱自由基聚合起始劑
[化4]
(式(1)中,R表示氫原子或甲基,X表示可具有碳數1~10的脂肪族烴基、羥基、或鹵素原子的芳基、脂環式結構、或雜環式結構,n表示1~30的整數)
[2a]如[1a]所述的預浸體,其中於下述硬化條件下硬化後的所述基質樹脂組成物的硬化物具有海島相分離結構,[A]的硬化物構成海相,[B]的聚合體構成島相。
[3a]如[1a]或[2a]所述的預浸體,其中於所有環氧樹脂100質量份中包含30質量份以上的[A]中分子量為500以上的成分。
[4a]如[1a]至[3a]中任一項所述的預浸體,其中[A]的重量平均分子量為1500以上。
[5a]如[1a]至[4a]中任一項所述的預浸體,其中[A]的平均環氧當量為200 g/eq以上。
[6a]如[1a]至[5a]中任一項所述的預浸體,其中[A]包含具有噁唑啶酮環骨架的環氧樹脂或雙酚F型環氧樹脂。
[7a]如[1a]至[6a]中任一項所述的預浸體,其中相對於[A]100質量份,包含5質量份~45質量份的[B]。
[8a]如[1a]至[7a]中任一項所述的預浸體,其中[B]包含分子量190以上的(甲基)丙烯酸單體。
[9a]如[1a]至[8a]中任一項所述的預浸體,其中相對於[B]100質量%,包含70質量%以上的單官能(甲基)丙烯酸單體。
[10a]如[1a]至[9a]中任一項所述的預浸體,其中[B]包含於分子內具有一個以上的氧伸乙基的(甲基)丙烯酸單體。
[11a]如[1a]至[10a]中任一項所述的預浸體,其中[B]包含於分子內具有一個以上的環狀骨架的(甲基)丙烯酸單體。
[12a]如[2a]所述的預浸體,其中所述[B]的聚合體的玻璃轉移溫度為[A]的硬化物的玻璃轉移溫度以下。
[13a]如[1a]至[12a]中任一項所述的預浸體,其中[C]包含選自二氰二胺、芳香族胺類、脲類、及咪唑類的群組中的至少一種。
[14a]如[1a]至[13a]中任一項所述的預浸體,其中相對於[C]100質量%,包含50質量%以上的[C1]熔點為70℃以上的成分。
[15a]如[1a]至[14a]中任一項所述的預浸體,其中相對於[B]100質量份,包含0.1質量份~10質量份的[D]。
[16a]如[1a]至[15a]中任一項所述的預浸體,其中[D]包含[D1]有機過氧化物類。
[17a]如[1a]至[16a]中任一項所述的預浸體,其中[D]的10小時半衰期溫度為70℃以上。
[18a]如[1a]至[17a]中任一項所述的預浸體,其中所述基質樹脂組成物更包含[E]熱塑性樹脂。
[19a]如[18a]所述的預浸體,其中[E]包含選自聚乙烯基縮甲醛、聚乙烯基縮丁醛、聚醚碸、及苯氧基樹脂的群組中的至少一種熱塑性樹脂。
[20a]如[1a]至[19a]中任一項所述的預浸體,其中於下述硬化條件下硬化後的所述基質樹脂組成物的硬化物的ASTM D5045中測定的平面應變斷裂韌性K
Ic為1.6 MPa·m
1/2以上。
硬化條件;
將基質樹脂注入至兩片玻璃板之間而成形為厚度2 mm的板狀,以2℃/分鐘升溫至烘箱環境溫度130℃,並於130℃下保持120分鐘。
[21a]如[1a]至[20a]中任一項所述的預浸體,其中於下述硬化條件下硬化後的所述基質樹脂組成物的硬化物的ASTM D5045中測定的應變能量釋放率G
Ic為0.7 kJ/m
2以上。
硬化條件;
將基質樹脂注入至兩片玻璃板之間而成形為厚度2 mm的板狀,以2℃/分鐘升溫至烘箱環境溫度130℃,並於130℃下保持120分鐘。
[22a]一種纖維強化塑膠,是使如[1a]至[21a]中任一項所述的預浸體硬化而成。
[23a]一種預浸體的製造方法,使包含下述結構要素[A]~結構要素[D]的基質樹脂組成物含浸於碳纖維基材中,所述預浸體的製造方法中,以所述基質樹脂組成物於70℃下的黏度為10 Pa·s以上,且所述基質樹脂組成物中的[B]的平均雙鍵當量為150 g/eq以上的方式調配[B]。
[A]環氧樹脂
[B](甲基)丙烯酸單體
[C]硬化劑
[D]熱自由基聚合起始劑
[24a]一種預浸體的製造方法,使包含含有下述結構要素[A]~結構要素[D]的基質樹脂組成物的膜重疊並含浸於碳纖維基材中。
[A]環氧樹脂
[B]下述結構式(1)所表示的(甲基)丙烯酸單體
[C]硬化劑
[D]熱自由基聚合起始劑
[化5]
(式(1)中,R表示氫原子或甲基,X表示可具有碳數1~10的脂肪族烴基、羥基、或鹵素原子的芳基、脂環式結構、或雜環式結構,n表示1~30的整數)
[25a]如[23a]或[24a]所述的預浸體的製造方法,其中使所述膜於50℃~110℃下含浸於碳纖維基材中。
[發明的效果]
藉由本發明的較佳的形態,可提供一種硬化物的韌性或彈性係數得到改善的預浸體。
<預浸體>
本發明的一實施方式是有關於一種預浸體。預浸體的一形態(亦稱為「本發明的第一預浸體」)包含含有下述結構要素[A]~結構要素[D]的基質樹脂組成物與碳纖維,基質樹脂於70℃下的黏度為10 Pa·s以上,[B]的平均雙鍵當量為160 g/eq以上。
[A]環氧樹脂
[B](甲基)丙烯酸單體
[C]硬化劑
[D]熱自由基聚合起始劑
另外,預浸體的另一形態(亦稱為「本發明的第二預浸體」)包含基質樹脂組成物與碳纖維,基質樹脂組成物包含環氧樹脂及下述結構式(1)所表示的(甲基)丙烯酸單體。
本發明的第二預浸體中的基質樹脂較佳為更包含硬化劑。另外,本發明的第二預浸體中的基質樹脂較佳為更包含自由基聚合起始劑,更佳為更包含熱自由基聚合起始劑。
[化6]
(式(1)中,R表示氫原子或甲基,X表示選自由可具有選自由碳數1~10的脂肪族烴基、羥基、及鹵素原子所組成的群組中的取代基的芳基;脂環式結構;以及雜環式結構所組成的群組中的結構,n表示1~30的整數)
於預浸體包含[A]環氧樹脂、[B](甲基)丙烯酸單體、[C]硬化劑、[D]熱自由基聚合起始劑的情況下(例如,本發明的第一預浸體),或者於預浸體不僅包含環氧樹脂及(甲基)丙烯酸單體,而且更包含硬化劑及自由基聚合起始劑的情況下(例如,於本發明的第二預浸體更包含硬化劑及自由基聚合起始劑的情況下),當對預浸體進行加熱時,於環氧樹脂與硬化劑的硬化反應的同時,藉由自由基聚合起始劑或熱自由基聚合起始劑,進行(甲基)丙烯酸單體的自由基聚合。即,由此種預浸體形成的成形品的基質包括環氧樹脂的硬化物與(甲基)丙烯酸聚合物。預浸體例如可藉由如下方法來製造:將基質樹脂塗佈於脫模紙等基材的表面來製作膜,繼而自強化纖維基材的兩側或單側將所述膜重疊並進行加熱加壓,藉此使樹脂含浸於強化纖維基材中。
再者,於本說明書中,有時將本發明的第一預浸體與本發明的第二預浸體一併稱為「本發明的預浸體」。
<樹脂黏度>
若基質樹脂組成物於70℃下的黏度為10 Pa·s以上,則於製作膜時於基材表面不產生樹脂排斥,可製作均勻的膜。此外,由於可保持所製作的預浸體的形狀,因此可抑制破裂、成形時的過度的樹脂流動、纖維含量的偏差。就預浸體的黏性或懸垂等製程性的觀點而言,基質樹脂組成物於70℃下的黏度較佳為20 Pa·s以上,更佳為30 Pa·s以上。就可於膜化步驟中抑制空缺,於對強化纖維基材的含浸步驟中減少未含浸部分而言,較佳為200 Pa·s以下,更佳為150 Pa·s以下。所述上限及下限可任意地組合。例如,較佳為10 Pa·s~200 Pa·s,更佳為20 Pa·s~200 Pa·s,進而佳為30 Pa·s~150 Pa·s。此處所述的黏度是指將未硬化的基質樹脂載置於板上,藉由下述測定條件下的溫度依存性測定而獲得的複數黏性率η*。
裝置:流變儀(賽默飛世爾科技(Thermo Fisher Scientific)公司製造,「HAAKE MARS 40」)
使用板:25ψ平行板
板間隙:0.5 mm
測定頻率:10 rad/秒
測定溫度:30℃~130℃
應力:300 Pa
<平均雙鍵當量>
藉由將(甲基)丙烯酸單體的平均雙鍵當量設為150 g/eq以上,可高水準地發揮由(甲基)丙烯酸單體的聚合體帶來的強韌性化效果,提高基質樹脂、以及纖維強化塑膠的韌性及耐衝擊性。就提高硬化物的韌性的觀點而言,(甲基)丙烯酸單體的平均雙鍵當量可設為160 g/eq以上,較佳為190 g/eq以上,更佳為250 g/eq以上。特別是於本發明的第一預浸體中,(甲基)丙烯酸單體的平均雙鍵當量為160 g/eq以上。就與環氧樹脂的相容性的觀點而言,[B](甲基)丙烯酸單體的平均雙鍵當量較佳為1500 g/eq以下,更佳為1000 g/eq以下。所述上限及下限可任意地組合。例如,較佳為160 g/eq~1500 g/eq,更佳為190 g/eq~1500 g/eq,進而佳為250 g/eq~1000 g/eq。於本發明的第二預浸體中,可將下限設為150 g/eq並與所述上限組合。例如,較佳為150 g/eq~1500 g/eq,更佳為160 g/eq~1500 g/eq,進而佳為190 g/eq~1500 g/eq,特佳為250 g/eq~1000 g/eq。
此處,雙鍵當量可利用以下的式子來計算。
雙鍵當量=(甲基)丙烯酸單體的分子量/分子中的雙鍵數
進而,於併用多個(甲基)丙烯酸單體的情況下,能夠如以下般算出平均雙鍵當量。例如,以併用三種(甲基)丙烯酸單體的情況為例來說明計算方法。於將雙鍵當量為E1(g/eq)的(甲基)丙烯酸單體1調配W1質量份、雙鍵當量為E2(g/eq)的(甲基)丙烯酸單體2調配W2質量份、雙鍵當量為E3(g/eq)的(甲基)丙烯酸單體3調配W3質量份的情況下,所述平均雙鍵當量由以下的計算式來求出。基質樹脂組成物中的(甲基)丙烯酸單體的結構與含量可藉由核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)或氣相層析、液相層析等化學分析方法來求出。
平均雙鍵當量E=(W1+W2+W3)/(W1/E1+W2/E2+W3/E3)
<海島相分離結構>
基質樹脂組成物的硬化物較佳為具有海島相分離結構,環氧樹脂的硬化物構成海相,(甲基)丙烯酸單體的聚合體構成島相。於預浸體的熱硬化過程中,(甲基)丙烯酸單體的聚合與基質樹脂組成物中的環氧樹脂的硬化反應同時進行。此時,隨著環氧樹脂的硬化反應及(甲基)丙烯酸單體的聚合反應的進行,相互的相容性降低。結果,環氧樹脂的硬化物與(甲基)丙烯酸單體的聚合體進行相分離,藉由體系的凝膠化或硬化保持相分離結構。即,預浸體的基質樹脂組成物於硬化反應前為均一相容狀態,但於使預浸體熱硬化時,產生反應誘導型相分離。
藉由將(甲基)丙烯酸單體的平均雙鍵當量設為所述範圍內,強烈進行基質樹脂組成物的熱硬化過程中的反應誘導型相分離,容易提供環氧樹脂的硬化物與(甲基)丙烯酸單體的聚合體明確相分離後的硬化物。進而,環氧樹脂的硬化物構成海相,(甲基)丙烯酸單體的聚合體構成島相,於其相分離狀態明確的硬化物中,發揮高的韌性。藉由相分離結構,亦可設計成任一相提高與纖維的接著性。基質樹脂組成物的硬化物的相分離狀態可藉由如下方式來確認:例如將基質樹脂注入至兩片玻璃板之間而成形為厚度2 mm的板狀,以2℃/分鐘升溫至烘箱環境溫度130℃,並於130℃下保持120分鐘,使用穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscope,TEM)或掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)來對所獲得的硬化物觀察硬化物的剖面。視需要可實施電子染色。染色可使用RuO
4或OsO
4等通常的染色劑進行。若電子顯微鏡圖像中存在兩種以上對比度不同的域,則可判斷存在2相以上的相分離結構。
就於纖維強化塑膠中亦形成海島結構並發揮韌性的觀點而言,於所述條件下獲得的硬化物的ASTM D5045中測定的平面應變斷裂韌性K
Ic較佳為1.6 MPa·m
1/2以上,更佳為1.8 MPa·m
1/2以上。於所述條件下獲得的硬化物的ASTM D5045中測定的應變能量釋放率G
Ic較佳為0.7 kJ/m
2以上,更佳為0.9 kJ/m
2以上。
<環氧樹脂>
作為預浸體中含有的環氧樹脂,例如可列舉:雙酚A型環氧樹脂、雙酚F型環氧樹脂、具有噁唑啶酮環骨架的環氧樹脂、酚醛清漆型環氧樹脂、縮水甘油胺型環氧樹脂、萘型環氧樹脂。由於增大環氧樹脂硬化物的交聯點間分子量,顯示出比較高的韌性,因此基質樹脂組成物較佳為包含選自由雙酚A型環氧樹脂、雙酚F型環氧樹脂、及具有噁唑啶酮環骨架的環氧樹脂所組成的群組中的至少一種環氧樹脂。基質樹脂組成物特佳為包含雙酚F型環氧樹脂、或具有噁唑啶酮環骨架的環氧樹脂中的至少一種。環氧樹脂可組合使用,藉由組合多種環氧樹脂,可獲得具有優異的操作性的預浸體、以及機械物性或耐熱性優異的纖維強化塑膠。
環氧樹脂可單獨使用一種,亦可併用兩種以上。
<環氧樹脂的分子量>
環氧樹脂根據其種類而具有各種骨架,具有分子量分佈。由於分子量不同,於25℃下顯示液狀或固形等不同的性狀。另外,熔融黏度大幅變化。亦受到環氧樹脂的骨架的影響,但若環氧樹脂的分子量為500以下,則於25℃下為液狀,若環氧樹脂的分子量為500以上,則於25℃下可成為半固形狀或固形狀。
較佳為相對於環氧樹脂的總質量而調配30質量%以上的環氧樹脂中分子量為500以上的成分。分子量為500以上的環氧樹脂的調配量的下限更佳為35質量%以上,進而佳為40質量%以上。另外,分子量為500以上的環氧樹脂的調配量的上限更佳為70質量%以下,進而佳為60質量%以下。所述上限及下限可任意地組合。例如,較佳為30質量%~70質量%,更佳為35質量%~70質量%,進而佳為40質量%~60質量%。若環氧樹脂中分子量為500以上的環氧樹脂的調配量為下限值以上,則於室溫下的黏度上升,賦予適度的黏性,藉此於獲得操作性優異的預浸體的基礎上,其硬化物的韌性優異。另一方面,若分子量為500以上的環氧樹脂的調配量為上限值以下,則可獲得懸垂性(模具形狀追隨性)優異的預浸體,並且可獲得無空隙的纖維強化塑膠。
環氧樹脂中分子量為500以下的成分主要有助於提高熱塑性樹脂的溶解性與提高樹脂硬化物的強度或彈性係數、耐熱性。分子量為500以下的環氧樹脂的調配量較佳為相對於環氧樹脂的總質量而調配20質量%以上。分子量為500以下的環氧樹脂的調配量的下限更佳為25質量%以上,進而佳為30質量%以上。另外,分子量為500以下的環氧樹脂的調配量的上限較佳為80質量%以下,更佳為75質量%以下,進而佳為70質量%以下,特佳為50質量%以下。所述上限及下限可任意地組合。例如,較佳為20質量%~80質量%,更佳為20質量%~75質量%,進而佳為25質量%~70質量%,特佳為30質量%~50質量%。若環氧樹脂中分子量為500以下的環氧樹脂的調配量為下限值以上,則容易溶解熱塑性樹脂,因此於製程性優異的基礎上,可獲得強度或彈性係數、耐熱性優異的樹脂硬化物。另一方面,若分子量為500以下的環氧樹脂的含量為上限值以下,則於具有適度的黏性而獲得操作性優異的預浸體的基礎上,其硬化物的韌性優異。
預浸體中包含的環氧樹脂整體的重量平均分子量較佳為1500以上。若重量平均分子量為1500以上,則藉由賦予適度的黏性,於獲得操作性優異的預浸體的基礎上,其硬化物有韌性優異的傾向。重量平均分子量更佳為2000以上。
分子量可藉由凝膠滲透層析法(GPC(gel permeation chromatography)法)於以下的條件下測定,作為標準聚苯乙烯換算值進行計算。
裝置:東曹公司製造 高效GPC裝置 HLC-8320GPC型
UV檢測器:東曹公司製造 UV-8320型
流速:0.35 mL/min
注入口溫度:40℃
烘箱溫度:40℃
RI溫度:40℃
UV波長:254 nm
樣品注入量:10 μL
管柱:按照(1)~(3)的順序連結3根。
(1)東曹公司製造 TSKgel superHZM-M(4.6 mmID×15 cmL)
(2)東曹公司製造 TSKgel superHZM-M(4.6 mmID×15 cmL)
(3)東曹公司製造 TSKgel HZ2000(4.6 mmID×15 cmL)
保護管柱:東曹公司製造 TSKguardcolumn SuperHZ-L(4.6 mmID×3.5 cmL)
溶媒:THF(穩定劑BHT)
樣品濃度:調整為樹脂成分0.05質量%
<平均環氧當量>
預浸體中包含的環氧樹脂整體的平均環氧當量較佳為200 g/eq以上。若平均環氧當量為200 g/eq以上,則樹脂硬化物的交聯點間分子量變大,其硬化物的韌性優異。平均環氧當量更佳為220 g/eq以上,進而佳為250 g/eq以上。
於併用多個環氧樹脂的情況下,平均環氧當量能夠如以下般算出。例如,以併用三種環氧樹脂的情況為例來說明計算方法。於將環氧當量為E1(g/eq)的環氧樹脂1調配W1質量份、環氧當量為E2(g/eq)的環氧樹脂2調配W2質量份、環氧當量為E3(g/eq)的環氧樹脂3調配W3質量份的情況下,所述平均環氧當量由以下的計算式來求出。
平均環氧當量=(W1+W2+W3)/(W1/E1+W2/E2+W3/E3)
作為主成分的分子量為500以下且於25℃下為液狀的雙酚A型環氧樹脂的市售品,例如可列舉:jER827、jER828(以上,三菱化學股份有限公司製造)、YD-127、YD-128(以上,日鐵化學&材料股份有限公司製造)、艾比克隆(EPICLON)840、艾比克隆(EPICLON)850(以上,迪愛生(DIC)股份有限公司製造)、D.E.R331、D.E.R332(以上,陶氏化學公司(THE DOW CHEMICAL COMPANY)製造)。
作為主成分的分子量為500以下且於25℃下為液狀的雙酚F型環氧樹脂的市售品,例如可列舉:jER806、jER807(以上,三菱化學股份有限公司製造)、YDF-170(日鐵化學&材料股份有限公司製造)、艾比克隆(EPICLON)830、艾比克隆(EPICLON)835(以上,迪愛生(DIC)股份有限公司製造)、D.E.R354(陶氏化學公司(THE DOW CHEMICAL COMPANY)製造)。
作為主成分的分子量為500以下且於25℃下為液狀的縮水甘油胺型環氧樹脂的市售品,例如可列舉:jER630、jER604(以上,三菱化學股份有限公司製造)、斯密艾珀科希(sumiepoxy)ELM-100、ELM-434(以上,住友化學股份有限公司製造)、YH-404、YH-513、YH-514(以上,日鐵化學&材料股份有限公司製造)、愛牢達(Araldite)MY0500、MY0510、MY0600、MY0610、MY720、MY721(以上,亨斯邁先進材料(Huntsman advanced materials)公司製造)。
作為主成分的分子量為500以上且於25℃下為半固形狀或固形狀的雙酚A型環氧樹脂的市售品,例如可列舉:jER1001、jER1002、jER1004、jER1007、jER1009(以上,三菱化學股份有限公司製造)或艾比克隆(EPICLON)2050、艾比克隆(EPICLON)3050、艾比克隆(EPICLON)4050、艾比克隆(EPICLON)7050(以上,迪愛生(DIC)股份有限公司製造)、YD-011、YD-012、YD-013、YD-014、YD-902、YD-903N、YD-904、YD-907、YD-7910、YD-6020(以上,日鐵化學&材料股份有限公司製造)。
作為主成分的分子量為500以上且於25℃下為半固形狀或固形狀的雙酚F型環氧樹脂,例如可列舉:jER4004P、jER4005P、jER4007P、jER4010P(以上,三菱化學股份有限公司製造)或YDF-2001、YDF-2004、YDF-2005RD(以上,日鐵化學&材料股份有限公司製造)。
作為主成分的分子量為500以上且於25℃下為半固形狀或固形狀的具有噁唑啶酮環骨架的環氧樹脂,例如可列舉:ACR1348(艾迪科(ADEKA)股份有限公司製造)、DER852、DER858(以上,陶氏化學公司(THE DOW CHEMICAL COMPANY)製造)、TSR-400(迪愛生(DIC)公司製造)、YD-952(日鐵化學&材料股份有限公司製造)。
作為預浸體中可包含的其他環氧樹脂的市售品,例如可列舉:jER152、jER154(以上,三菱化學股份有限公司製造)、艾比克隆(EPICLON)N-740、艾比克隆(EPICLON)N-770、艾比克隆(EPICLON)N-775(以上,迪愛生(DIC)股份有限公司製造)或YDPN-638(日鐵化學&材料股份有限公司製造)等苯酚酚醛清漆型環氧樹脂;
艾比克隆(EPICLON)N-660、艾比克隆(EPICLON)N-670、艾比克隆(EPICLON)N-680、艾比克隆(EPICLON)N-690(以上,迪愛生(DIC)股份有限公司製造)等甲酚酚醛清漆型環氧樹脂;
jER157S70(三菱化學股份有限公司製造)、艾比克隆(EPICLON)N-865、艾比克隆(EPICLON)N-885(以上,迪愛生(DIC)股份有限公司製造)等雙酚A酚醛清漆型環氧樹脂;
NC-3000-L、NC-3000、NC-3000-H(以上,日本化藥股份有限公司製造)等聯苯芳烷基型環氧樹脂;
艾比克隆(EPICLON)HP-4700、艾比克隆(EPICLON)HP-4710、艾比克隆(EPICLON)HP-4770(以上,迪愛生(DIC)股份有限公司製造)、NC-7000L、NC-7300L(以上,日本化藥股份有限公司製造)等萘型環氧樹脂。可自該些中單獨使用一種,亦可將兩種以上組合而併用。
<(甲基)丙烯酸單體>
預浸體中包含的(甲基)丙烯酸單體有助於提高硬化物的彈性係數或韌性。作為(甲基)丙烯酸單體,可列舉單官能(甲基)丙烯酸單體或二官能以上的(甲基)丙烯酸單體(亦稱為「多官能(甲基)丙烯酸單體」)。為了取得硬化物的彈性係數與韌性的平衡,可自該些中單獨使用一種,亦可併用兩種以上。
如所述般,預浸體的基質樹脂組成物的硬化物較佳為具有海島相分離結構,環氧樹脂的硬化物構成海相,(甲基)丙烯酸單體的聚合體構成島相。為了形成海島結構,相對於所有環氧樹脂100質量份,(甲基)丙烯酸單體較佳為含有5質量份以上,更佳為含有10質量份以上。相對於所有環氧樹脂100質量份,(甲基)丙烯酸單體較佳為含有45質量份以下,更佳為含有40質量份以下。所述上限及下限可任意地組合。例如,較佳為5質量份~45質量份,更佳為10質量份~40質量份。藉由(甲基)丙烯酸單體的含量處於該範圍,容易形成將(甲基)丙烯酸單體的聚合體設為島相的海島結構,彈性係數、韌性、耐熱性的平衡變得良好。
關於(甲基)丙烯酸單體的含量,若為預浸體,則可藉由氣相層析法或液相層析法等分離分析法來確定,若為硬化物,則可藉由熱分解氣相層析法來確定。
<(甲基)丙烯酸單體的分子量>
就操作性的觀點而言,較佳為包含分子量190以上的(甲基)丙烯酸單體。(甲基)丙烯酸單體的分子量較佳為190以上,更佳為220以上。若(甲基)丙烯酸單體的分子量為190以上,則可抑制(甲基)丙烯酸單體的揮發,可充分提高製備樹脂組成物時的製備溫度或製作預浸體時的含浸溫度,獲得一定品質的製品。就使其均勻地分散於樹脂組成物中的觀點而言,分子量較佳為1500以下,分子量更佳為1000以下。所述上限及下限可任意地組合。例如,較佳為190~1500,更佳為220~1000。
<單官能(甲基)丙烯酸單體的含量>
相對於預浸體中包含的(甲基)丙烯酸單體的總質量,可包含20質量%以上、30質量%以上、40質量%以上、50質量%以上、或60質量%以上的單官能(甲基)丙烯酸單體。相對於預浸體中包含的(甲基)丙烯酸單體的總質量,較佳為包含70質量%以上的單官能(甲基)丙烯酸單體。藉由單官能(甲基)丙烯酸單體的含量處於該範圍,強烈進行環氧樹脂的硬化物與(甲基)丙烯酸單體的聚合體的相分離,有容易形成明確的海島相分離結構的傾向。其因素考慮如下。於預浸體的熱硬化過程中,隨著環氧樹脂的硬化反應及(甲基)丙烯酸單體的聚合反應的進行,相互的相容性降低。此時,由於單官能(甲基)丙烯酸單體的聚合體不形成交聯結構,運動性高,因此認為環氧樹脂的硬化物與(甲基)丙烯酸單體的聚合體的相分離迅速進行,充分進行相分離後硬化完成。若海島相分離結構明確,則有高水準地發揮由包括(甲基)丙烯酸單體的聚合體的島相帶來的韌性賦予效果的傾向。為了獲得明確的海島相分離結構,相對於(甲基)丙烯酸單體的總質量,進而佳為包含75質量%以上的單官能(甲基)丙烯酸單體,特佳為包含80質量%以上的單官能(甲基)丙烯酸單體。相對於(甲基)丙烯酸單體的總質量,可包含99質量%以下、95質量%以下的單官能(甲基)丙烯酸單體。100質量%可為單官能(甲基)丙烯酸單體。
<(甲基)丙烯酸單體的種類>
作為(甲基)丙烯酸單體,就硬化物的彈性係數或韌性的觀點而言,較佳為下述結構式(1)所表示的(甲基)丙烯酸單體。特別是本發明的第二預浸體中包含的基質樹脂組成物中的(甲基)丙烯酸單體為下述結構式(1)所表示的(甲基)丙烯酸單體。
[化7]
(式(1)中,R表示氫原子或甲基,X表示選自由可具有選自由碳數1~10的脂肪族烴基、羥基、及鹵素原子所組成的群組中的取代基的芳基;脂環式結構;以及雜環式結構所組成的群組中的結構,n表示1~30的整數)
式(1)所表示的(甲基)丙烯酸單體於其分子結構中具有乙二醇部位與作為X的環狀結構,藉此硬化物的彈性係數與韌性的平衡變得良好。
於本發明的第一預浸體中包含的基質樹脂組成物中,就可降低單體的揮發性,提高樹脂硬化物的韌性而言,[B](甲基)丙烯酸單體較佳為於分子內具有一個以上的氧伸乙基的(甲基)丙烯酸單體。另外,於本發明的第一預浸體中包含的基質樹脂組成物中,就可降低單體的揮發性,提高樹脂硬化物的韌性而言,[B](甲基)丙烯酸單體較佳為於分子內具有一個以上的環狀骨架。具體而言,於本發明的第一預浸體中包含的基質樹脂組成物中,[B](甲基)丙烯酸單體較佳為包含式(1)所表示的(甲基)丙烯酸單體,更佳為式(1)所表示的(甲基)丙烯酸單體。
就兼顧硬化物的彈性係數與韌性的觀點而言,式(1)中,較佳為R為氫原子,X為可具有碳數1~10的脂肪族烴基的芳基、或脂環式結構,n為1~10的整數;更佳為R為氫原子,X為可具有碳數1~10的脂肪族烴基的苯基,n為1~10的整數。
式(1)的X中的可具有選自由碳數1~10的脂肪族烴基、羥基、及鹵素原子所組成的群組中的取代基的芳基較佳為具有選自由碳數1~10的脂肪族烴基、羥基、及鹵素原子所組成的群組中的取代基的芳基。
式(1)中的n較佳為2~30,更佳為2~20,進而佳為2~10。另外,作為另一形態,式(1)中的n較佳為1~10。
作為芳基,例如可列舉:苯基、萘基、苊基、苊萘基、蒽基、菲基、稠四苯基、芴基、螢蒽基、芘基、苯並(a)蒽基、䓛基。就於環氧樹脂中的溶解性及獲取性的觀點而言,較佳為苯基、萘基,更佳為苯基。
作為脂環式結構,例如可列舉:環丙烷、環丁烷、環戊烷、環己烷、環庚烷、環辛烷、環壬烷、環癸烷、環十一烷、環十二烷等單環的環烷烴及其衍生物(包含經選自由後述的碳數1~10的脂肪族烴基、羥基、後述的鹵素原子、及所述的芳基所組成的群組中的一個以上的基取代者;若相符則一部分或全部的不飽和鍵設為飽和鍵者;以及若相符則雜原子被氧化者。以下,於該段落中「衍生物」具有相同的含義);環丙烯、環丁烯、環戊烯、環己烯、環庚烯、環辛烯等單環的環烯烴及其衍生物;降冰片烷、雙環十一烷、十氫萘等二環的環烷烴及其衍生物;降冰片烯、降冰片二烯、薁等二環的環烯烴及其衍生物;立方烷、籃烷、房烷、金剛烷、三環癸烷、二環戊二烯等多環的脂環式結構及其衍生物。就基質樹脂組成物的硬化物發揮高的彈性係數與低吸濕率的觀點而言,較佳為多環的脂環式結構及其衍生物,更佳為二環戊二烯及其衍生物,進而佳為二環戊二烯、四氫二環戊二烯。
作為雜環式結構,例如可列舉:吡咯啶、吡咯、哌啶、哌嗪、吡啶、六伸乙基亞胺、氮環庚三烯、咪唑、吡唑、咪唑啉、三唑、四唑、噠嗪、嘧啶、噠嗪、吡嗪、三嗪等單環的含氮雜環式結構;吲哚、異吲哚、苯並咪唑、嘌呤、苯並三唑、喹啉、異喹啉、喹唑啉、喹噁啉、㖕啉、喋啶等二環的含氮雜環式結構;咔唑、吖啶、萘嗪、吩嗪、苯並-C-㖕啉、卟啉、二氫卟吩(chlorin)、膽鹼、酞菁等多環的含氮雜環式結構;氧雜環丙烷、氧雜環丁烷、四氫呋喃、呋喃、呋喃酮、吡咯啶酮、四氫吡喃、吡喃、噁唑、異噁唑、環己烷氧化物、二噁烷、嗎啉、噁嗪、噁唑啶酮、己內酯、己內醯胺等單環的含氧雜環式結構;香豆素、色原酮、苯並呋喃、苯並哌喃、異苯並哌喃等二環的含氧雜環式結構;四氫噻吩、噻吩、四氫噻喃、噻喃、噻唑、異噻唑等單環的含硫雜環式結構。於與環氧樹脂的溶解性優異的基礎上,不與環氧樹脂反應,基質樹脂組成物顯示出優異的適用期,因此較佳為含氧雜環式結構,更佳為氧雜環丙烷、氧雜環丁烷、四氫呋喃、或二噁烷。
再者,雜環式結構亦可經選自由後述的碳數1~10的脂肪族烴基、羥基、後述的鹵素原子、及所述的芳基所組成的群組中的一個以上的基取代。
作為碳數1~10的脂肪族烴基,例如可列舉:甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基、庚基、辛基、壬基、癸基等直鏈脂肪族烴基;異丙基、異丁基、第二丁基、第三丁基、異戊基、新戊基、第三戊基、異己基等分支鏈脂肪族烴基。就聚合體容易與環氧樹脂的硬化物相分離而言,較佳為壬基、辛基,更佳為壬基。
作為鹵素原子,例如可列舉:氟、氯、溴、碘。就(甲基)丙烯酸單體的穩定性的觀點而言,較佳為氟、氯,更佳為氟。
作為式(1)所表示的(甲基)丙烯酸單體,例如可列舉:(甲基)丙烯酸苯氧基乙酯、苯氧基二乙二醇(甲基)丙烯酸酯、苯氧基聚乙二醇(甲基)丙烯酸酯、(甲基)丙烯酸二環戊烷基氧基乙酯、(甲基)丙烯酸二環戊烯基氧基乙酯、壬基苯氧基聚乙二醇(甲基)丙烯酸酯、(甲基)丙烯酸環戊氧基乙酯、(甲基)丙烯酸環己氧基乙酯、(甲基)丙烯酸2-環己烯-1-基氧基乙酯、(甲基)丙烯酸1-環己烯-1-基氧基乙酯、(甲基)丙烯酸四氫-2-呋喃基氧基乙酯、(甲基)丙烯酸2-四氫吡喃基氧基乙酯、(甲基)丙烯酸1,4-二噁烷-2-基氧基乙酯、(甲基)丙烯酸1,3-二噁烷-2-基氧基乙酯、(甲基)丙烯酸2-萘氧基乙酯、(甲基)丙烯酸1-萘氧基乙酯、(甲基)丙烯酸9-蒽基氧基乙酯、(甲基)丙烯酸1H-咪唑-1-基氧基乙酯、(甲基)丙烯酸4-噠嗪基氧基乙酯、(甲基)丙烯酸1-芘基氧基乙酯、以及於該些的末端加成碳數1~10的脂肪族烴基、羥基、或鹵素原子的化合物。
特別是本發明的第二預浸體中包含的基質樹脂中的(甲基)丙烯酸單體除包含式(1)所表示的(甲基)丙烯酸單體以外,亦可包含具有其他結構的(甲基)丙烯酸單體。
作為單官能(甲基)丙烯酸單體,例如可列舉:(甲基)丙烯酸2-羥基乙酯、(甲基)丙烯酸2-羥基丙酯、(甲基)丙烯酸4-羥基丁酯、(甲基)丙烯酸4-羥基苄酯、(甲基)丙烯酸4-羥基苯酯、環己烷二甲醇單(甲基)丙烯酸酯、(甲基)丙烯酸四氫糠酯、(甲基)丙烯酸苯氧基乙酯、(甲基)丙烯酸環己酯、(甲基)丙烯酸異冰片酯、(甲基)丙烯酸降冰片酯、2-(甲基)丙烯醯氧基甲基-2-甲基雙環庚烷、(甲基)丙烯酸金剛烷基酯、(甲基)丙烯酸苄酯、(甲基)丙烯酸苯酯、(甲基)丙烯酸二環戊烯酯、(甲基)丙烯酸二環戊酯、(甲基)丙烯酸四環十二烷基酯、(甲基)丙烯酸甲酯、(甲基)丙烯酸乙酯、(甲基)丙烯酸丁酯、(甲基)丙烯酸戊酯、(甲基)丙烯酸己酯、(甲基)丙烯酸庚酯、(甲基)丙烯酸辛酯、(甲基)丙烯酸壬酯、(甲基)丙烯酸癸酯、(甲基)丙烯酸十一基酯、(甲基)丙烯酸十二基酯、(甲基)丙烯酸二十烷基酯、(甲基)丙烯酸2-甲氧基乙酯、(甲基)丙烯酸3-甲氧基丁酯、甲氧基三乙二醇(甲基)丙烯酸酯、(甲基)丙烯酸丁氧基乙酯、甲氧基二丙二醇(甲基)丙烯酸酯、聚乙二醇(甲基)丙烯酸酯、聚丙二醇(甲基)丙烯酸酯、聚乙二醇單甲醚(甲基)丙烯酸酯、聚丙二醇(甲基)丙烯酸單甲酯、4-丙烯醯氧基甲基-2-甲基-2-乙基-1,3-二氧雜環戊烷、4-丙烯醯氧基甲基-2-甲基-2-異丁基-1,3-二氧雜環戊烷、鄰苯基苯酚(甲基)丙烯酸酯、乙氧基化鄰苯基苯酚(甲基)丙烯酸酯、N-(甲基)丙烯醯氧基乙基六氫鄰苯二甲醯亞胺、對枯基苯酚(甲基)丙烯酸酯、乙氧基化對枯基苯酚(甲基)丙烯酸酯、三羥甲基丙烷縮甲醛(甲基)丙烯酸酯等(甲基)丙烯酸酯類;丙烯醯胺、N,N-二甲基丙烯醯胺、N,N-二甲基甲基丙烯醯胺、N-羥甲基丙烯醯胺、N-甲氧基甲基丙烯醯胺、N-丁氧基甲基丙烯醯胺、N-第三丁基丙烯醯胺、N-苄基(甲基)丙烯醯胺、N-苯基(甲基)丙烯醯胺、N-(4-羥基苄基)(甲基)丙烯醯胺、N-(4-羥基苯基)(甲基)丙烯醯胺、丙烯醯基嗎啉、羥基乙基丙烯醯胺、亞甲基雙丙烯醯胺等(甲基)丙烯醯胺類。就可降低單體的揮發性,提高樹脂硬化物的韌性而言,較佳為於分子內具有一個以上的氧伸乙基的單官能(甲基)丙烯酸單體或於分子內具有一個以上的環狀骨架的單官能(甲基)丙烯酸單體,更佳為於分子內具有一個以上的氧伸乙基及一個以上的環狀骨架的單官能(甲基)丙烯酸單體。
作為二官能(甲基)丙烯酸單體,例如可列舉:乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、四乙二醇、丙二醇、二丙二醇、三丙二醇、四丙二醇、1,3-丁二醇(1,3-butylene glycol)、1,4-丁二醇(1,4-butanediol)、1,5-戊二醇、新戊二醇、3-甲基-1,5-戊二醇、2,4-二乙基-1,5-戊二醇、1,6-己二醇、1,9-壬二醇、2-甲基-1,8-辛二醇、1,10-癸二醇、羥基三甲基乙酸新戊二醇、三環癸烷二甲醇、環己烷二甲醇、雙酚A、氫化雙酚A、雙酚F、二噁烷二醇、雙苯氧基芴乙醇等二醇、以及藉由使將環氧乙烷、環氧丙烷或己內酯加成於該些二醇而獲得的二醇類與(甲基)丙烯酸反應進行酯化來獲得的二(甲基)丙烯酸酯類。就可使樹脂硬化物的彈性係數、強度、韌性高水準地平衡而言,較佳為於分子內具有一個以上的氧伸乙基的二官能(甲基)丙烯酸單體或於分子內具有一個以上的環狀骨架的二官能(甲基)丙烯酸單體,更佳為於分子內具有一個以上的氧伸乙基及一個以上的環狀骨架的二官能(甲基)丙烯酸單體。
作為三官能(甲基)丙烯酸單體,例如可列舉:三羥甲基丙烷、三(2-羥基乙基)異三聚氰酸酯、甘油、季戊四醇等三醇或四醇、或者藉由使在該些三醇或四醇上加成環氧乙烷、環氧丙烷或己內酯等而獲得的三醇或四醇類與(甲基)丙烯酸反應進行酯化來獲得的三(甲基)丙烯酸酯類。就可使樹脂硬化物的彈性係數、強度、韌性高水準地平衡而言,較佳為於分子內具有一個以上的氧伸乙基的三官能(甲基)丙烯酸單體或於分子內具有一個以上的環狀骨架的三官能(甲基)丙烯酸單體,更佳為於分子內具有一個以上的氧伸乙基及一個以上的環狀骨架的三官能(甲基)丙烯酸單體。
作為四官能以上的(甲基)丙烯酸單體,例如可列舉:二-三羥甲基丙烷、季戊四醇、二季戊四醇、三季戊四醇等四官能以上的多元醇、或者藉由使在該些多元醇上加成環氧乙烷、環氧丙烷或己內酯而獲得的多元醇類與(甲基)丙烯酸反應進行酯化來獲得的聚(甲基)丙烯酸酯類。就可使樹脂硬化物的彈性係數、強度、韌性高水準地平衡而言,較佳為於分子內具有一個以上的氧伸乙基的四官能以上的(甲基)丙烯酸單體或於分子內具有一個以上的環狀骨架的四官能以上的(甲基)丙烯酸單體,更佳為於分子內具有一個以上的氧伸乙基及一個以上的環狀骨架的四官能以上的(甲基)丙烯酸單體。
預浸體中包含的基質樹脂組成物可含有具有自由基聚合性雙鍵的低聚物或預聚物。具體而言,例如可列舉:巨分子單體、丙烯酸丙烯酸基酯、環氧丙烯酸酯、胺基甲酸酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯。該些可單獨使用一種或併用兩種以上。
預浸體所含有的基質樹脂組成物中包含的(甲基)丙烯酸單體的聚合體的玻璃轉移溫度(TgA)若於預浸體所含有的基質樹脂組成物中包含的環氧樹脂的硬化物的玻璃轉移點(TgE)以下,則可高水準地發揮其韌性提高效果,因此較佳。TgA可設為25℃以下。藉由形成由包含玻璃轉移溫度高的環氧樹脂的硬化物的海相與包含玻璃轉移溫度低的(甲基)丙烯酸單體的聚合體的島相構成的海島相分離結構,能夠兼顧彈性係數與韌性。關於由海島相分離結構帶來的韌性提高,於裂紋到達分散島相時,藉由引起如下來表現:(a)由向島相的應力集中引起的空穴、(b)由空穴引起的應變的約束的釋放與應力集中的緩和、(c)由空穴引起的樹脂的剪切變形的誘發、(d)由島相自身的變形引起的能量吸收、(e)由島相引起的龜裂生長抑制等。島相的玻璃轉移溫度低於海相的玻璃轉移溫度,且強度低,藉此可效率良好地發揮該些效果。
<硬化劑>
本發明的第一預浸體包含硬化劑。另外,本發明的第二預浸體可包含硬化劑。
作為預浸體中包含的硬化劑,例如除二氰二胺、脂肪族胺類、脂環式胺類、芳香族胺類、脲類、咪唑類等胺系硬化劑以外,較佳為酸酐類、酚類、氯化硼胺錯合物,更佳為二氰二胺、芳香族胺類、脲類、咪唑類。
該些硬化劑可單獨使用一種,亦可併用兩種以上。
於預浸體包含硬化劑的情況下,為了使環氧樹脂的硬化充分地進行,相對於基質樹脂中包含的所有環氧樹脂100質量份,硬化劑整體的含量較佳為1質量份以上,更佳為2質量份以上。就樹脂組成物的儲存穩定性的觀點而言,相對於所有環氧樹脂100質量份,較佳為60質量份以下,更佳為50質量份以下。所述上限及下限可任意地組合。例如,較佳為1質量份~60質量份,更佳為2質量份~50質量份。
二氰二胺具有約210℃的熔點,因此於低溫區域不與環氧樹脂相容,若用作硬化劑則樹脂組成物的適用期優異。
作為二氰二胺的市售品,例如可列舉戴西(DICY)7、戴西(DICY)15(以上,三菱化學公司製造)、戴西安奈克斯(DICYANEX)1400F(日本贏創(Evonik Japan)股份有限公司製造)。
於預浸體包含硬化劑、且包含二氰二胺作為硬化劑的情況下,相對於基質樹脂組成物中包含的所有環氧樹脂100質量份,二氰二胺的含量較佳為1質量份~15質量份,更佳為2質量份~10質量份。樹脂硬化物的耐熱性與機械物性有更優異的傾向,因此較佳為設為相對於基質樹脂組成物中包含的環氧樹脂所具有的環氧基的所有莫耳數而二氰二胺的活性氫的莫耳數成為0.4倍~1倍的量,更佳為設為0.5倍~0.8倍。
作為芳香族胺類,例如可列舉:3,3'-二異丙基-4,4'-二胺基二苯基甲烷、3,3'-二-第三丁基-4,4'-二胺基二苯基甲烷、3,3'-二乙基-5,5'-二甲基-4,4'-二胺基二苯基甲烷、3,3'-二異丙基-5,5'-二甲基-4,4'-二胺基二苯基甲烷、3,3'-二-第三丁基-5,5'-二甲基-4,4'-二胺基二苯基甲烷、3,3',5,5'-四乙基-4,4'-二胺基二苯基甲烷、3,3'-二異丙基-5,5'-二乙基-4,4'-二胺基二苯基甲烷、3,3'-二-第三丁基-5,5'-二乙基-4,4'-二胺基二苯基甲烷、3,3',5,5'-四異丙基-4,4'-二胺基二苯基甲烷、3,3'-二-第三丁基-5,5'-二異丙基-4,4'-二胺基二苯基甲烷、3,3',5,5'-四-第三丁基-4,4'-二胺基二苯基甲烷、4,4'-二胺基二苯基甲烷、4,4'-二胺基二苯基碸、3,3'-二胺基二苯基碸、4,4'-亞甲基-雙[2-異丙基-6-甲基苯胺]、間苯二胺、間二甲苯二胺、二乙基甲苯二胺。就獲得耐熱性與機械物性優異、進而線膨脹係數及吸濕所致的耐熱性的下降小的硬化物的方面而言,較佳為4,4'-二胺基二苯基碸、3,3'-二胺基二苯基碸。4,4'-二胺基二苯基碸就可長期保持預浸體的黏性壽命(tack life)的方面而言較佳。3,3'-二胺基二苯基碸可提高硬化物的彈性係數或韌性,因此較佳。亦可同時調配4,4'-二胺基二苯基碸、及3,3'-二胺基二苯基碸。
於預浸體包含硬化劑、且包含芳香族胺類作為硬化劑的情況下,相對於基質樹脂組成物中包含的所有環氧樹脂100質量份,芳香族胺類的含量較佳為1質量份~60質量份,更佳為2質量份~50質量份。若芳香族胺類的含量為1質量份以上,則有耐熱性與彈性係數優異的傾向。若芳香族胺類的含量為60質量份以下,則有韌性優異的傾向。胺基的活性氫當量數較佳為基質樹脂組成物中包含的所有環氧樹脂的環氧當量數的0.5倍~1.5倍,更佳為0.6倍~1.4倍。藉由將該些環氧樹脂硬化劑的胺基的活性氫當量數調配成為所有環氧樹脂的環氧當量數的0.5倍~1.5倍,有可使樹脂硬化物的彈性係數、韌性及耐熱性處於良好的範圍的傾向。
芳香族胺類中,作為4,4'-二胺基二苯基碸的市售品,例如可列舉塞卡固(Seikacure)S(活性氫當量為62 g/eq,和歌山精化工業股份有限公司製造)、斯米固(Sumicure)S(活性氫當量為62 g/eq,住友化學股份有限公司製造)。作為3,3'-二胺基二苯基碸的市售品,例如可列舉3,3'-DAS(活性氫當量為62 g/eq,三井精細化學(Mitsui Fine Chemicals)股份有限公司製造)。
作為其他芳香族胺類,例如可列舉:MDA-220(活性氫當量為50 g/eq,三井化學股份有限公司製造)、jER CURE W(活性氫當量為45 g/eq,三菱化學股份有限公司製造)、龍沙固(Lonzacure)M-DEA(活性氫當量為78 g/eq)、龍沙固(Lonzacure)M-DIPA(活性氫當量為92 g/eq)、龍沙固(Lonzacure)M-MIPA(活性氫當量為78 g/eq)及龍沙固(Lonzacure)DETDA 80(活性氫當量為45 g/eq)(以上,龍沙(Lonza)股份有限公司製造)。
脲類於分子內具有二甲基脲基,藉由在高溫下進行加熱生成異氰酸酯基與二甲基胺,來使環氧基活化。作為脲類,例如可列舉:二甲基脲基鍵結於芳香環而成的芳香族二甲基脲、二甲基脲基鍵結於脂肪族化合物而成的脂肪族二甲基脲。
就有硬化物的耐熱性及彎曲強度變高的傾向的方面而言,較佳為芳香族二甲基脲。
於預浸體包含硬化劑、且包含脲類作為硬化劑的情況下,相對於基質樹脂組成物中包含的所有環氧樹脂100質量份,脲類的含量較佳為1質量份~15質量份,更佳為1質量份~10質量份。若脲類的含量為1質量份以上,則有可促進基質樹脂組成物中包含的環氧樹脂的硬化,提高硬化物的機械物性或耐熱性的傾向。若脲類的含量為15質量份以下,則有可將樹脂硬化物的耐熱性與韌性保持得高的傾向。
作為芳香族二甲基脲,例如可較佳地使用苯基二甲基脲、亞甲基雙(苯基二甲基脲)、甲苯雙(二甲基脲),例如可列舉:4,4'-亞甲基雙(苯基二甲基脲)(MBPDMU)、3-苯基-1,1-二甲基脲(PDMU)、3-(3,4-二氯苯基)-1,1-二甲基脲(DCMU)、3-(3-氯-4-甲基苯基)-1,1-二甲基脲、2,4-雙(3,3-二甲基脲基)甲苯(TBDMU)、由間二甲苯二異氰酸酯與二甲基胺獲得的二甲基脲。就硬化促進能力或對樹脂硬化物賦予耐熱性等方面而言,更佳為MBPDMU、PDMU、DCMU、TBDMU。
作為脂肪族二甲基脲,例如可列舉由異佛爾酮二異氰酸酯與二甲基胺所獲得的二甲基脲、由六亞甲基二異氰酸酯與二甲基胺所獲得的二甲基脲。
關於脲類的市售品,例如作為DCMU,可列舉DCMU-99(保土谷化學工業公司製造);作為MBPDMU,可列舉泰庫尼固(Technicure)MDU-11(A&C觸媒(A&C Catalysts)公司製造)、奧米固(Omicure)52(日本PTI(PTI Japan)股份有限公司製造);作為PDMU,可列舉奧米固(Omicure)94(日本PTI(PTI Japan)股份有限公司製造);作為TBDMU,可列舉奧米固(Omicure)24(日本PTI(PTI Japan)股份有限公司製造)、U-CAT 3512T(三亞普羅(San-Apro)股份有限公司製造);作為脂肪族二甲基脲,可列舉U-CAT 3513N(三亞普羅(San-Apro)股份有限公司製造)。
咪唑類於其結構中具有含有非共價電子對的氮原子,可使環氧基活化,因此可促進硬化。作為咪唑類,可使用咪唑、咪唑加成物、包合咪唑、微膠囊型咪唑、使穩定劑配位而成的咪唑化合物等。
於預浸體包含硬化劑、且包含咪唑類作為硬化劑的情況下,相對於基質樹脂組成物中包含的所有環氧樹脂100質量份,咪唑類的含量較佳為1質量份~15質量份,更佳為1質量份~10質量份。若咪唑類的含量為1質量份以上,則有可充分地獲得基質樹脂組成物中包含的環氧樹脂的硬化或硬化促進作用、耐熱性的傾向。若咪唑類的含量為15質量份以下,則有可獲得機械特性更優異的樹脂硬化物的傾向。
作為咪唑類,例如可列舉:2-甲基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑、2-十一基咪唑、2-十七基咪唑、1,2-二甲基咪唑、2-苯基咪唑、2-苯基-4-甲基咪唑、1-苄基-2-苯基咪唑、1-苄基-2-甲基咪唑、1-氰基乙基-2-甲基咪唑、1-氰基乙基-2-乙基-4-甲基咪唑、1-氰基乙基-2-十一基咪唑、1-氰基乙基-2-苯基咪唑、1-氰基乙基-2-乙基-4-甲基咪唑鎓偏苯三酸酯、1-氰基乙基-2-十一基咪唑鎓偏苯三酸酯、1-氰基乙基-2-苯基咪唑鎓偏苯三酸酯、2,4-二胺基-6-(2'-甲基咪唑基-(1'))-乙基-均三嗪、2,4-二胺基-6-(2'-十一基咪唑基-(1'))-乙基-均三嗪、2,4-二胺基-6-(2'-乙基-4-甲基咪唑基-(1'))-乙基-均三嗪、2,4-二胺基-6-(2'-甲基咪唑基-(1'))-乙基-均三嗪/異三聚氰酸加成物、2-苯基咪唑/異三聚氰酸加成物、2-甲基咪唑/異三聚氰酸加成物、1-氰基乙基-2-苯基-4,5-二(2-氰基乙氧基)甲基咪唑、2-苯基-4,5-二羥基甲基咪唑、2-苯基-4-甲基-5-羥基甲基咪唑。加成物處理、利用不同分子的包合處理、微膠囊處理、或者使穩定劑配位而成的咪唑是對咪唑加以修飾者。藉由修飾而使活性下降,藉此於低溫區域中顯現優異的適用期並且亦促進硬化。
作為咪唑類的市售品,例如可列舉2E4MZ、2P4MZ、2PZ-CN、C11Z-CNS、C11Z-A、2MZA-PW、2MAOK-PW、2P4MHZ-PW、2PHZ-PW(以上,四國化成工業公司製造)。
作為咪唑加成物的市售品,例如可列舉具有咪唑化合物於環氧樹脂的環氧基上開環加成而成的結構的PN-50、PN-50J、PN-40、PN-40J、PN-31、PN-23、PN-H(以上,味之素精密技術(Ajinomoto Fine-Techno)股份有限公司製造)。
作為包合咪唑的市售品,例如可列舉TIC-188、KM-188、HIPA-2P4MHZ、NIPA-2P4MHZ、TEP-2E4MZ、HIPA-2E4MZ、NIPA-2E4MZ(以上,日本曹達股份有限公司製造)。
作為微膠囊型咪唑的市售品,例如可列舉諾巴固(Novacure)HX3721、諾巴固(Novacure)HX3722、諾巴固(Novacure)HX3742、諾巴固(Novacure)HX3748(以上,旭化成電子材料(Asahi Kasei E-Materials)股份有限公司製造);LC-80(A&C觸媒公司製造)。
作為使穩定劑配位而成的咪唑化合物,例如可藉由對四國化成工業股份有限公司製造的作為咪唑加成物的可達庫(CUREDUCT)P-0505(雙酚A二縮水甘油醚/2-乙基-4-甲基咪唑加成物)組合四國化成工業股份有限公司製造的作為穩定劑的L-07N(環氧-苯酚-硼酸酯調配物)來準備。使用先前所列舉的各種咪唑或咪唑加成物等咪唑化合物來代替可達庫(CUREDUCT)P-0505亦可獲得相同的效果。
作為酸酐類,例如可列舉氫化甲基納迪克酸酐、甲基六氫鄰苯二甲酸酐。
<硬化劑的熔點>
於預浸體包含硬化劑的情況下,硬化劑較佳為包含熔點為70℃以上的成分(以下,亦稱為「硬化劑C1」)。於包含硬化劑C1作為硬化劑的情況下,相對於硬化劑的總質量,較佳為包含50質量%以上的硬化劑C1,更佳為包含70質量%以上的硬化劑C1。
藉由硬化劑C1的熔點處於該範圍,或者藉由硬化劑C1的含量處於該範圍,可抑制環氧樹脂與硬化劑於低溫區域相容,可抑制環氧樹脂與硬化劑立即反應。即,可獲得適用期長的基質樹脂組成物,可獲得可使用時間長的預浸體。
作為硬化劑C1,例如可列舉:二氰二胺(熔點208℃)、4,4'-二胺基二苯基碸(熔點175℃)、3,3'-二胺基二苯基碸(熔點170℃)、4,4'-亞甲基-雙[2-異丙基-6-甲基苯胺](熔點72℃)、4,4'-亞甲基雙(苯基二甲基脲)(熔點216℃)、3-苯基-1,1-二甲基脲(熔點126℃)、3-(3,4-二氯苯基)-1,1-二甲基脲(熔點159℃)、2,4-雙(3,3-二甲基脲基)甲苯(熔點180℃)、2-苯基咪唑(熔點137℃)、2,4-二胺基-6-(2'-乙基-4-甲基咪唑基-(1'))-乙基-均三嗪(熔點248℃)、2,4-二胺基-6-(2'-甲基咪唑基-(1'))-乙基-均三嗪/異三聚氰酸加成物(熔點260℃以上)、2-苯基-4,5-二羥基甲基咪唑(熔點230℃以上)、2-苯基-4-甲基-5-羥基甲基咪唑(熔點191℃)。
<自由基聚合起始劑>
本發明的第一預浸體包含熱自由基聚合起始劑。本發明的第二預浸體可包含自由基聚合起始劑,較佳為可包含熱自由基聚合起始劑。
自由基聚合起始劑有藉由熱而活化的熱自由基聚合起始劑與藉由光照射而活化的光自由基聚合起始劑。就可於環氧樹脂的熱硬化的同時產生自由基而言,較佳為使用熱自由基聚合起始劑。藉由於預浸體中含有的基質樹脂組成物中調配熱自由基聚合起始劑,可於環氧樹脂的熱硬化的同時進行(甲基)丙烯酸單體的聚合。
於預浸體包含自由基聚合劑起始劑或熱自由基聚合起始劑的情況下,為了使(甲基)丙烯酸單體的聚合充分地進行,相對於(甲基)丙烯酸單體100質量份,自由基聚合劑起始劑或熱自由基聚合起始劑的含量較佳為含有0.1質量份以上,更佳為含有0.2質量份以上。就預浸體的保存穩定性的觀點而言,相對於(甲基)丙烯酸單體100質量份,自由基聚合劑起始劑或熱自由基聚合起始劑的含量較佳為含有10質量份以下,更佳為含有9質量份以下。所述上限及下限可任意地組合。例如,相對於(甲基)丙烯酸單體100質量份,自由基聚合劑起始劑或熱自由基聚合起始劑的含量較佳為0.1質量份~10質量份,更佳為0.2質量份~9質量份。
就預浸體的保存穩定性的觀點而言,熱自由基聚合起始劑較佳為包含10小時半衰期溫度為70℃以上的化合物,更佳為包含10小時半衰期溫度為100℃以上的化合物。即,熱自由基聚合起始劑的10小時半衰期溫度較佳為70℃以上,更佳為100℃以上。為了於環氧樹脂的硬化過程中使(甲基)丙烯酸單體的聚合充分地進行,熱自由基聚合起始劑的10小時半衰期溫度較佳為150℃以下。例如,較佳為70℃~150℃,更佳為100℃~150℃。
<有機過氧化物類>
作為熱自由基聚合起始劑,可列舉偶氮系化合物類或有機過氧化物類。由於在熱分解時不產生氣體,因此較佳為包含有機過氧化物類(以下,亦稱為「有機過氧化物類D1」)作為熱自由基聚合起始劑。
於預浸體包含有機過氧化物類D1作為熱自由基聚合起始劑的情況下,為了獲得無空隙的高品質的纖維強化塑膠,相對於自由基聚合劑起始劑或熱自由基聚合起始劑的總質量,有機過氧化物類D1的含量較佳為80質量%以上,更佳為90質量%以上。
於預浸體含有有機過氧化物類D1作為熱自由基聚合起始劑的情況下,為了使(甲基)丙烯酸單體的聚合充分地進行,相對於(甲基)丙烯酸單體100質量份,有機過氧化物類D1的含量較佳為0.1質量份以上,更佳為0.2質量份以上。就預浸體的保存穩定性的觀點而言,相對於(甲基)丙烯酸單體100質量份,有機過氧化物類D1的含量較佳為10質量份以下,更佳為9質量份以下。所述上限及下限可任意地組合。例如,較佳為0.1質量份~10質量份,更佳為0.2質量份~9質量份。
作為有機過氧化物類D1,較佳為例如二醯基過氧化物、過氧化烷基酯、過氧化二碳酸酯、過氧化縮酮、二烷基過氧化物、過氧化氫等過氧化物系化合物類。
作為有機過氧化物類D1,例如可列舉:甲基乙基酮過氧化物(110℃)、乙醯基丙酮過氧化物(130℃)等酮過氧化物類;1,1-二(第三丁基過氧基)3,3,5-三甲基環己烷(95℃)、1,1-二(第三己基過氧基)環己烷(87.1℃)、1,1-二(第三丁基過氧基)環己烷(90.7℃)、2,2-二(第三丁基過氧基)丁烷(103.1℃)、正丁基4,4-二(第三丁基過氧基)戊酸酯(104.5℃)、2,2-二(4,4-二-第三丁基過氧基環己基)丙烷(94.7℃)、1,1-二(第三己基過氧基)3,3,5-三甲基環己烷(86.7℃)、1,1-二(第三丁基過氧基)環十二烷(95℃)等過氧化縮酮類;對薄荷烷過氧化氫(128℃)、二異丙基苯過氧化氫(145.1℃)、1,1,3,3-四甲基丁基過氧化氫(152.9℃)、枯烯過氧化氫(157.9℃)、第三丁基過氧化氫(166.5℃)等過氧化氫類;二(2-第三丁基過氧基異丙基)苯(119.2℃)、二枯基過氧化物(116.4℃)、2,5-二甲基-2,5-二(第三丁基過氧基)己烷(117.9℃)、第三丁基枯基過氧化物(119.5℃)、二-第三己基過氧化物(116.4℃)、二-第三丁基過氧化物(123.7℃)、2,5-二甲基-2,5-二(第三丁基過氧基)己炔-3(128.4℃)等二烷基過氧化物類;二異丁醯基過氧化物(32.7℃)、二(3,5,5-三甲基己醯基)過氧化物(59.4℃)、月桂醯基過氧化物(61.6℃)、二琥珀酸過氧化物(65.9℃)、間甲苯甲醯基過氧化物(73.1℃)、二苯甲醯基過氧化物(73.6℃)、二辛醯基過氧化物(63℃)等二醯基過氧化物類;過氧化二碳酸二正丙酯(40.3℃)、過氧化二碳酸二異丙酯(40.5℃)、過氧化二碳酸二(4-第三丁基環己基)酯(40.8℃)、過氧化二碳酸二(2-乙基己基)酯(43.6℃)、過氧化二碳酸二-第三丁酯(40.5℃)、過氧化二碳酸二(3-甲氧基丁基)酯(43℃)等過氧化二碳酸酯類;過氧化新癸酸枯基酯(36.5℃)、過氧化新癸酸1,1,3,3-四甲基丁酯(40.7℃)、過氧化新癸酸第三己酯(44.5℃)、過氧化新癸酸第三丁酯(46.4℃)、過氧化三甲基乙酸第三己酯(53.2℃)、過氧化三甲基乙酸第三丁酯(54.6℃)、1,1,3,3-四甲基丁基過氧-2-乙基己酸酯(65.3℃)、2,5-二甲基-2,5-二(2-乙基己醯基過氧基)己烷(66.2℃)、過氧化-2-乙基己酸第三己酯(69.9℃)、過氧化-2-乙基己酸第三丁酯(72.1℃)、過氧化異丙基單碳酸第三己酯(95℃)、過氧化-3,5,5-三甲基己酸第三丁酯(97.1℃)、過氧化月桂酸第三丁酯(98.3℃)、過氧化異丙基單碳酸第三丁酯(98.7℃)、過氧化-2-乙基己基單碳酸第三丁酯(99℃)、過氧化苯甲酸第三己酯(99.4℃)、2,5-二甲基-2,5-二(苯甲醯基過氧基)己烷(99.7℃)、過氧化乙酸第三丁酯(101.9℃)、過氧化苯甲酸第三丁酯(104.3℃)、第三丁基過氧基馬來酸(96.1℃)、過氧化異丁酸第三丁酯(75℃)等過氧化酯類等。括號內的數值均顯示所述化合物的10小時半衰期溫度。
有機過氧化物類D1可單獨使用一種,或者併用兩種以上。
<熱塑性樹脂>
於預浸體中包含的基質樹脂組成物中可調配熱塑性樹脂(以下,亦稱為「熱塑性樹脂E」或「[E]熱塑性樹脂」)。
作為熱塑性樹脂,例如可列舉:聚醯胺、聚酯、聚碳酸酯、聚醚碸、聚苯醚、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚酮、聚醯亞胺、聚四氟乙烯、聚醚、聚烯烴、液晶聚合物、聚芳酯、聚碸、聚丙烯腈苯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(acrylonitrile butadiene styrene copolymer,ABS)、丙烯腈-乙烯丙烯橡膠-苯乙烯共聚物(acrylonitrile ethylenepropylene rubber styrene copolymer,AES)、丙烯腈-丙烯酸橡膠-苯乙烯共聚物(acrylonitrile acrylic rubber styrene copolymer,AAS)、聚氯乙烯、聚乙烯基縮甲醛、聚乙烯基縮丁醛、苯氧基樹脂、嵌段共聚物。就相對於環氧樹脂的溶解性與樹脂流動控制性優異而言,更佳為聚乙烯基縮甲醛、聚乙烯基縮丁醛、聚醚碸、苯氧基樹脂。即便調配量為少量,樹脂流動控制性亦優異,因此進而佳為聚乙烯基縮甲醛。
熱塑性樹脂可單獨使用一種,亦可將兩種以上組合而使用。
於預浸體包含熱塑性樹脂的情況下,相對於基質樹脂組成物中包含的所有環氧樹脂100質量份,熱塑性樹脂的含量較佳為1質量份以上且30質量份以下,更佳為2質量份以上且10質量份以下,進而佳為3質量份以上且6質量份以下。若熱塑性樹脂的含量為1質量份以上,則有樹脂流動控制性良好地發揮的傾向。若熱塑性樹脂的含量為30質量份以下,則基質樹脂組成物的黏度上升變少。
<其他添加劑>
基質樹脂組成物亦可包含添加劑。
作為添加劑,例如可列舉:環氧樹脂的硬化促進劑、無機質填充材、內部脫模劑、有機顏料、無機顏料。
另外,作為添加劑,例如可列舉:磷系阻燃劑(含磷的環氧樹脂、紅磷、磷腈(phosphazene)化合物、磷酸鹽類、磷酸酯類等);作為無機系阻燃化劑的水合金屬化合物系(氫氧化鋁、氫氧化鎂等)、無機氧化物及其他助劑系(銻化合物、硼酸鋅、錫酸鋅、Mo化合物、ZrO、硫化鋅、沸石、氧化鈦奈米填料系等);矽酮油、濕潤分散劑、消泡劑、脫泡劑、天然蠟類、合成蠟類、直鏈脂肪酸的金屬鹽、酸醯胺類、酯類、石蠟類等的脫模劑;結晶二氧化矽、熔融二氧化矽、矽酸鈣、氧化鋁、碳酸鈣、滑石、硫酸鋇等粉體或玻璃纖維等無機填充材;碳黑、三氧化二鐵(bengala)等著色劑;矽烷偶合劑。
該些可單獨使用一種,亦可將兩種以上組合而使用。
<基質樹脂組成物的製造方法>
基質樹脂組成物可藉由加熱混合所述各成分而獲得。作為各成分的混合方法,例如可列舉使用三輥磨機、行星式混合機、捏合機、均質機、均質分散機(homodisper)等混合機的方法。
就纖維強化塑膠的韌性提高而言,基質樹脂組成物較佳為於下述硬化條件下硬化後的硬化物的ASTM D5045中測定的平面應變斷裂韌性K
Ic成為1.6 MPa·m
1/2以上者,更佳為成為2.1 MPa·m
1/2以上者,進而佳為成為2.2 MPa·m
1/2以上者。平面應變斷裂韌性K
Ic可設為5.0 MPa·m
1/2以下。例如,可設為1.6 MPa·m
1/2~5.0 MPa·m
1/2、2.1 MPa·m
1/2~5.0 MPa·m
1/2、2.2 MPa·m
1/2~5.0 MPa·m
1/2。
就纖維強化塑膠的韌性提高而言,基質樹脂組成物較佳為於下述硬化條件下硬化後的硬化物的ASTM D5045中測定的應變能量釋放率G
Ic成為0.7 kJ/m
2以上者,更佳為成為1.2 kJ/m
2以上者,進而佳為成為1.5 kJ/m
2以上者。應變能量釋放率G
Ic可設為3.0 kJ/m
2以下。例如,可設為0.7 kJ/m
2~3.0 kJ/m
2、1.2 kJ/m
2~3.0 kJ/m
2、1.5 kJ/m
2~3.0 kJ/m
2。
硬化條件;將基質樹脂組成物注入至兩片玻璃板之間而成形為厚度2 mm的板狀,以2℃/分鐘升溫至烘箱環境溫度130℃,並於130℃下保持120分鐘。
<強化纖維>
強化纖維可於預浸體中以強化纖維基材(強化纖維的集合體。於碳纖維的情況下為碳纖維基材)的形式存在,且較佳為片材狀。強化纖維基材中的纖維的配向可為強化纖維於單一方向上排列而成者,亦可為強化纖維於無規方向上排列而成者。作為強化纖維基材的形態,可列舉:強化纖維的織物、強化纖維的不織布、強化纖維的長纖維於一個方向上拉齊的片材等。就可成形比強度或比彈性係數高的纖維強化塑膠而言,較佳為將包含連續纖維於單一方向上拉齊而成的強化纖維的束的片材用於預浸體,就容易操作的觀點而言,較佳為將強化纖維的織物用於預浸體。強化纖維基材的單位面積重量可設為10 g/m
2以上且4000 g/m
2以下。
作為強化纖維的材質,可列舉:玻璃纖維、碳纖維、聚芳醯胺纖維、硼纖維等。就所獲得的纖維強化塑膠的機械物性及輕量化的觀點而言,作為強化纖維,較佳為碳纖維。
碳纖維的纖維直徑較佳為3 μm~12 μm。碳纖維束中的碳纖維的根數較佳為1,000根~70,000根。可製成使用多束碳纖維束於一方向上將纖維拉齊而成的片材狀的強化纖維基材,亦可散佈將碳纖維束短切後的短切碳纖維束而製成片材狀的強化纖維基材。就所獲得的纖維強化塑膠的剛性的觀點而言,碳纖維的股線拉伸強度較佳為1.5 GPa~9 GPa,碳纖維的股線拉伸彈性係數較佳為150 GPa~400 GPa。此處,碳纖維的股線拉伸強度及股線拉伸彈性係數是依據日本工業標準(Japanese Industrial Standards,JIS)R 7601:1986而測定的值。
<預浸體的製造方法>
預浸體可藉由使基質樹脂組成物含浸於強化纖維基材中而獲得。
本發明的預浸體的製造方法的一形態是使包含下述結構要素[A]~結構要素[D]的基質樹脂組成物含浸於碳纖維基材中的預浸體的製造方法,以基質樹脂組成物於70℃下的黏度為10 Pa·s以上,且基質樹脂組成物中的[B]的平均雙鍵當量為160 g/eq以上的方式包含[B]的配方。此處,[A]為環氧樹脂,[B]為(甲基)丙烯酸單體,[C]為硬化劑,[D]為熱自由基聚合起始劑。本形態的環氧樹脂、(甲基)丙烯酸單體、硬化劑、熱自由基聚合起始劑、基質樹脂、碳纖維基材、預浸體可分別例示所述的形態作為較佳的形態。
作為使基質樹脂組成物含浸於強化纖維基材中的方法,例如可列舉:使溶解於甲基乙基酮、甲醇等溶媒中而加以低黏度化的基質樹脂組成物含浸於強化纖維基材中的濕式法;使藉由加熱而低黏度化的基質樹脂組成物含浸於強化纖維基材中的熱熔(hot melt)法(乾式法)。含浸溫度配合基質樹脂組成物的黏度來設定,但就基質樹脂組成物的硬化反應不開始、需要使基質樹脂組成物充分地含浸至強化纖維中的觀點而言,較佳為40℃~120℃,更佳為50℃~110℃。
濕式法是將強化纖維基材浸漬於基質樹脂組成物的溶液中後進行提拉,使用烘箱等使溶媒蒸發的方法。
熱熔法具有:使藉由加熱而低黏度化的基質樹脂組成物直接含浸於強化纖維基材中的方法;以及藉由自強化纖維基材的兩側或單側重疊將基質樹脂組成物塗佈於脫模紙等基材的表面而成的膜,並進行加熱加壓來使樹脂含浸於強化纖維基材中的方法。
塗佈於脫模紙等基材的表面而獲得的塗佈層可於未硬化的狀態下用於熱熔法,亦可於使塗佈層硬化後用於熱熔法。藉由熱熔法,實質上不存在殘留於預浸體中的溶媒。
相對於預浸體的總質量,預浸體中的基質樹脂組成物的含量(以下,稱為「樹脂含量」)較佳為15質量%~50質量%,更佳為15質量%~45質量%,進而佳為15質量%~40質量%。若樹脂含量為所述下限值以上,則可充分確保強化纖維與基質樹脂的接著性,若為所述上限值以下,則纖維強化塑膠的機械物性進一步提高。
相對於預浸體的總體積,預浸體中的強化纖維的含量(以下,亦稱為「纖維含量」)較佳為40體積%~80體積%,更佳為45體積%~80體積%,進而佳為50體積%~80體積%。若纖維含量為所述下限值以上,則纖維強化塑膠的機械物性進一步提高,若為所述上限值以下,則可充分地確保強化纖維與基質樹脂的接著性。
相對於預浸體的總質量,預浸體中的基質樹脂組成物與強化纖維的合計含量可為70質量%以上、80質量%以上、90質量%以上,亦可設為100質量%。
<纖維強化塑膠>
本發明的纖維強化塑膠的一形態是將所述預浸體硬化而成。
本發明的纖維強化塑膠的另一形態包含碳纖維、環氧樹脂硬化物、及所述式(1)所表示的(甲基)丙烯酸單體來源的聚合體。本形態中的碳纖維、環氧樹脂硬化物的硬化前的環氧樹脂、式(1)所表示的(甲基)丙烯酸單體可分別例示所述的形態作為較佳的形態。
纖維強化塑膠藉由將預浸體硬化來獲得。即,纖維強化塑膠包含預浸體中包含的基質樹脂組成物的硬化物與強化纖維。
將積層有一片預浸體或兩片以上的預浸體的積層體硬化後的硬化物成為纖維強化塑膠。例如,於將所述預浸體積層兩片以上後,利用一邊對所獲得的積層體賦予壓力,一邊加熱硬化的方法等進行成形,藉此獲得包含纖維強化塑膠的成形品。亦可於所述的預浸體上積層之前說明的預浸體以外的包含熱塑性樹脂組成物與強化纖維的預浸體或者包含環氧樹脂組成物與強化纖維的預浸體。
作為成形方法,例如可列舉壓製成形法、高壓釜成形法、套袋(bagging)成形法、包覆帶(wrapping tape)法、內壓成形法、片材纏繞(sheet wrap)成形法,或於強化纖維的長絲或預成型體中含浸基質樹脂組成物並硬化而獲得成形品的樹脂轉注成形(Resin Transfer Molding,RTM)、真空輔助VaRTM(Vacuum assisted Resin Transfer Molding:真空樹脂含浸製造法)、長絲纏繞(filament winding)、樹脂膜浸漬(Resin Film Infusion,RFI)。就容易獲得優質的纖維強化塑膠的觀點而言,較佳為高壓釜成形法,就可獲得高生產性的觀點而言,較佳為壓製成形法。
於利用壓製成形法製造纖維強化塑膠的情況下,較佳為將預浸體、或積層預浸體而製作的預成型體夾在預先調整為硬化溫度的模具中進行加熱加壓,使預浸體或預成型體硬化。壓製成形可應用公知的條件。壓製成形時的模具內的溫度較佳為100℃~180℃。壓製成形中的壓力較佳為1 MPa~15 MPa。壓製成形的加熱加壓時間較佳為1分鐘~20分鐘。
[實施例]
以下,藉由實施例來對本發明進行更具體的說明,但本發明並不限定於該些。將實施例、及比較例中使用的原料示於以下。
<所使用的原料>
[A]環氧樹脂
jER807:液狀雙酚F型環氧樹脂(三菱化學股份有限公司製造,製品名「jER807」)
jER4007P:固形雙酚F型環氧樹脂(三菱化學股份有限公司製造,製品名「jER4007P」)
TSR-400:固形且具有噁唑啶酮環骨架的環氧樹脂(迪愛生(DIC)股份有限公司製造,製品名「艾比克隆(EPICLON)TSR-400」)
[B](甲基)丙烯酸單體
FA-310AH:丙烯酸苯氧基乙酯(分子量192,單官能,雙鍵當量192 g/eq,昭和電工材料股份有限公司製造,製品名「範克力(Fancryl)FA-310AH」)
AMP-20GY:苯氧基二乙二醇丙烯酸酯(分子量236,單官能,雙鍵當量236 g/eq,新中村化學工業股份有限公司製造,製品名「NK酯(NK Ester)AMP-20GY」)
FA-314A:壬基苯氧基聚乙二醇丙烯酸酯(分子量452,單官能,雙鍵當量452 g/eq,昭和電工材料股份有限公司製造,製品名「範克力(Fancryl)FA-314A」)
FA-318A:壬基苯氧基聚乙二醇丙烯酸酯(分子量626,單官能,雙鍵當量626 g/eq,昭和電工材料股份有限公司製造,製品名「範克力(Fancryl)FA-318A」)
FA-512AS:丙烯酸二環戊烯基氧基乙酯(分子量248,單官能,雙鍵當量248 g/eq,昭和電工材料股份有限公司製造,製品名「範克力(Fancryl)FA-512AS」)
PE-4A:季戊四醇四丙烯酸酯(分子量352,四官能,雙鍵當量88 g/eq,共榮社化學股份有限公司製造,製品名「萊特丙烯酸酯(Light Acrylate)PE-4A」)
[C]硬化劑(環氧樹脂的硬化劑)
戴西安奈克斯(DICYANEX)1400F:二氰二胺(活性氫當量21 g/eq,日本贏創(Evonik Japan)股份有限公司製造,製品名「戴西安奈克斯(DICYANEX)1400F」)
DCMU-99:3-(3,4-二氯苯基)-1,1-二甲基脲(保土谷化學工業公司製造,製品名「DCMU-99」)
[D]聚合起始劑
帕庫米盧(PERCUMYL)D:二枯基過氧化物(熱自由基聚合起始劑,10小時半衰期溫度116.4℃,日油股份有限公司製造,製品名「帕庫米盧(Percumyl)D」)
[E]熱塑性樹脂
維尼萊克(VINYLEC)E:聚乙烯基縮甲醛樹脂(JNC股份有限公司製造,製品名「維尼萊克(Vinylec)E」)
<基質樹脂組成物的製備方法>
(實驗例1~實驗例10)
使用作為環氧樹脂的jER807、jER4007P、TSR-400、作為(甲基)丙烯酸單體的FA-310AH、AMP-20GY、FA-314A、FA-318A、FA-512AS、PE-4A、作為硬化劑的戴西安奈克斯(DICYANEX)1400F以及DCMU-99、作為聚合起始劑的帕庫米盧(PERCUMYL)D、作為熱塑性樹脂的維尼萊克(VINYLEC)E,如以下般製備樹脂組成物。
按照表1中記載的組成,將硬化劑(固形)與環氧樹脂中的液狀成分以固形成分與液狀成分的質量比成為1:1的方式計量至容器中,進行攪拌混合。利用三輥磨機進一步將其細密地混合,獲得放入硬化劑的母料。
繼而,於表1中記載的組成內,將放入硬化劑的母料中使用的以外的環氧樹脂與熱塑性樹脂計量至燒瓶中,使用油浴於150℃下加熱攪拌,並溶解混合熱塑性樹脂。之後冷卻至80℃為止後,加入(甲基)丙烯酸單體進行攪拌混合,藉此獲得均勻的黏稠液。之後冷卻至65℃左右後,加入所述放入硬化劑的母料、熱自由基聚合起始劑進行攪拌混合,藉此獲得未硬化的基質樹脂組成物。
(實驗例11)
如表1所示的調配組成般,不使用(甲基)丙烯酸單體,除此以外與實驗例1~實驗例10同樣地獲得未硬化的基質樹脂組成物。
<基質樹脂組成物的硬化物的製作>
將實驗例1~實驗例11中獲得的未硬化的基質樹脂組成物於60℃~70℃的真空中脫泡後,注入至兩片玻璃板之間,藉此成形為板狀,以2℃/分鐘升溫,於烘箱環境溫度130℃下保持120分鐘來使其加熱硬化,從而製作厚度2 mm及3.2 mm的硬化物。
按照下述各評價方法的記載,對所製作的基質樹脂組成物及其硬化物進行各種測定、及評價。將其結果示於表1。
<70℃下的樹脂黏度>
將未硬化的環氧樹脂組成物載置於板上,於下述測定條件下測定複數黏性率η*的溫度依存性,從而獲得70℃下的樹脂黏度。
裝置:流變儀(賽默飛世爾科技(Thermo Fisher Scientific)公司製造,「HAAKE MARS 40」)
使用板:25ψ平行板
板間隙:0.5 mm
測定頻率:10 rad/秒
測定溫度:30℃~130℃
應力:300 Pa
<基質樹脂硬化物的平面應變斷裂韌性K
Ic、應變能量釋放率G
Ic的測定>
將所述<基質樹脂組成物的硬化物的製作>中獲得的厚度3.2 mm的硬化物加工成長度31 mm、寬度7 mm而製成試驗片。使用該試驗片,於溫度23℃、濕度50%RH的環境下,使用設置有三點彎曲夾具(壓頭R=5 mm、支架R=5 mm、支架間距離(L)=28 mm)的萬能試驗機(英斯特朗(INSTRON)公司製造,「英斯特朗(INSTRON)5965」),於十字頭速度10 mm/分鐘、變形模式I(開口型)下進行試驗,獲取斷裂時的負荷,按照ASTM D5045(2014)求出平面應變斷裂韌性K
Ic及應變能量釋放率G
Ic。再者,向試驗片導入初期的預龜裂是藉由將剃刀的刀片滑動到試驗片上來進行。
<相分離結構的觀察>
藉由將所述<基質樹脂組成物的硬化物的製作>中獲得的厚度2 mm的硬化物於OsO
4蒸汽中暴露16小時左右來實施電子染色後,切出厚度70 nm的超薄切片。藉由使用穿透式電子顯微鏡(TEM)觀察所獲得的切片來對相分離結構進行觀察。
TEM裝置:JEM-1400Flash(日本電子公司製造)
條件:加速電壓80 kV
觀察倍率:10000倍
將於所述條件下觀察到的相分離結構的狀態分類為以下三種。
A:以環氧樹脂的硬化物為海相,以(甲基)丙烯酸單體的聚合體為島相,其邊界明確的海島相分離
B:以環氧樹脂的硬化物為海相,以(甲基)丙烯酸單體的聚合體為島相,其邊界不明確的海島相分離
C:以環氧樹脂的硬化物為海相,以(甲基)丙烯酸單體的聚合體為島相,無海島相分離
[表1]
實驗例 | ||||||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | ||
環氧樹脂 | jER807 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 |
jER4007P | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 | |
TSR-400 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | 50 | |
(甲基)丙烯酸單體 | FA-310AH | 25 | 10 | 50 | 15 | |||||||
AMP-20GY | 25 | |||||||||||
FA-314A | 25 | |||||||||||
FA-318A | 25 | 15 | ||||||||||
FA-512AS | 25 | |||||||||||
FA-511AS | 25 | |||||||||||
PE-4A | 10 | 25 | ||||||||||
硬化劑 | 戴西安奈克斯(DICYANEX)1400F | 4.5 | 4.5 | 4.5 | 4.5 | 4.5 | 4.5 | 4.5 | 4.5 | 4.5 | 4.5 | 4.5 |
DCMU-99 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | |
聚合起始劑 | 帕庫米盧(PERCUMYL)D | 0.53 | 0.43 | 0.22 | 0.16 | 0.31 | 0.41 | 1.06 | 0.5 | 0.78 | 1.15 | |
熱塑性樹脂 | 維尼萊克(VINYLEC)E | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 |
基質樹脂組成物的各種值 | 平均環氧當量[g/eq] | 298 | 298 | 298 | 298 | 298 | 298 | 298 | 298 | 298 | 298 | 298 |
平均雙鍵當量[g/eq] | 192 | 236 | 452 | 626 | 329 | 248 | 192 | 204 | 130 | 88 | ||
70℃下的黏度[Pa·s] | 11 | 12 | 28 | 24 | 18 | 19 | 2 | 20 | 17 | 52 | 468 | |
基質樹脂組成物的硬化物的物性 | K Ic[MPa∙m 1/2] | 2.2 | 2.28 | 2.31 | 2.34 | 2.14 | 2.28 | 1.8 | 1.32 | 1.65 | 1.52 | 1.58 |
G Ic[kJ/m 2] | 1.25 | 1.37 | 1.59 | 1.84 | 1.17 | 1.34 | 1.13 | 0.43 | 0.57 | 0.5 | 0.64 | |
[A]與[B]的相分離狀態 | A | A | A | A | A | A | A | A | B | B | C |
於實驗例1~實驗例9中,與不包含(甲基)丙烯酸單體的實驗例11、或僅使用季戊四醇四丙烯酸酯作為(甲基)丙烯酸單體的實驗例10相比,所獲得的硬化物觀察到相分離結構,總體而言顯示出大的K
Ic及G
Ic,確認到硬化物的韌性大幅度提高。硬化物以環氧樹脂的硬化物為海相,以(甲基)丙烯酸單體的聚合體為島相,形成其邊界明確的海島相分離(狀態A),因此認為大大發揮由(甲基)丙烯酸單體的聚合體帶來的韌性賦予效果。於硬化物的彎曲試驗中,確認到實驗例1、實驗例6、實驗例8的彈性係數較實驗例11而言得到提高。
<預浸體的製作>
使用熱熔塗佈機(平野泰希德(Hirano Tecseed)股份有限公司製造,「R-HC」),將實驗例4及實驗例6中獲得的未硬化的基質樹脂組成物以樹脂單位面積重量為27 g/m
2塗敷於脫模紙上,藉此製作樹脂膜。利用滾筒絡紗裝置將下述碳纖維纏繞於該樹脂膜上,以成為纖維單位面積重量為100 g/m
2的片材。進而將另一片樹脂膜於滾筒絡紗裝置上貼合於所述碳纖維片材上。於溫度100℃、壓力0.4 MPa、進給速度2 m/分鐘的條件下,使被兩片樹脂膜夾著的碳纖維片材通過熔融壓力機(朝日纖維機械工業股份有限公司製造,「JR-600LTSW」),使未硬化的基質樹脂組成物含浸於碳纖維片材中,藉此獲得預浸體的單位面積重量為54 g/m
2、樹脂含量為35質量%的單向預浸體。
[碳纖維]
TR50S:三菱化學股份有限公司製造,製品名「PYROFIL TR 50S15L」,拉伸彈性係數:235 GPa,拉伸強度:4.9 GPa。
<碳纖維強化塑膠的製作>
將「預浸體的製作」中獲得的預浸體切割成300 mm×300 mm,以碳纖維為同一方向的方式重疊積層20片來獲得積層體。對於該積層體,利用高壓釜於壓力0.7 MPa下,以2℃/分鐘升溫至130℃,於130℃下使其加熱硬化120分鐘,從而獲得厚度2 mm的碳纖維強化塑膠面板。
<碳纖維強化塑膠的夏比衝擊強度的測定>
自「碳纖維強化塑膠的製作」中獲得的厚度2 mm的面板切出長度80 mm×寬度10 mm的試驗片。此時,以試驗片的長軸方向與碳纖維的配向方向平行的方式切出試驗片。對於該試驗片,按照國際標準化組織(International Standard Organization,ISO)179-1,使用夏比衝擊試驗機(安田精機製作所股份有限公司製造),於鎚子秤量7.5 J、扁平層向衝擊的條件下,測定碳纖維強化塑膠的夏比衝擊強度。夏比衝擊強度是所獲得的吸收能量除以試驗片剖面積而得的值。使用實驗例4中獲得的基質樹脂組成物的碳纖維強化塑膠的夏比衝擊強度為93 kJ/m
2,使用實驗例6中獲得的基質樹脂組成物的碳纖維強化塑膠的夏比衝擊強度為99 kJ/m
2。
於預浸體中的基質樹脂組成物包含結構式(1)所表示的(甲基)丙烯酸單體的情況下,或於[B](甲基)丙烯酸單體的平均雙鍵當量為160 g/eq以上的情況下,所獲得的碳纖維強化塑膠發揮可耐實用的耐衝擊性。
特別是對於未經纖維強化的方向的衝擊容易反映基質的效果,因此可期待耐衝擊性的更大的提高。於「碳纖維強化塑膠的夏比衝擊強度的測定」中,使用以試驗片的長軸方向與碳纖維的配向方向垂直的方式切出的試驗片,藉此可測定未經纖維強化的方向的衝擊強度。
[產業上之可利用性]
藉由本發明的較佳的形態,可提供硬化物的韌性或彈性係數得到改善的預浸體。
無
無
Claims (49)
- 一種預浸體,包含基質樹脂組成物與碳纖維,所述預浸體中,所述基質樹脂組成物包含環氧樹脂及下述結構式(1)所表示的(甲基)丙烯酸單體, 式(1)中,R表示氫原子或甲基,X表示選自由可具有選自由碳數1~10的脂肪族烴基、羥基、及鹵素原子所組成的群組中的取代基的芳基;脂環式結構;以及雜環式結構所組成的群組中的結構,n表示1~30的整數。
- 如請求項1所述的預浸體,其中所述基質樹脂組成物包含硬化劑。
- 如請求項2所述的預浸體,其中所述硬化劑包含選自由二氰二胺、芳香族胺類、脲類、及咪唑類所組成的群組中的至少一種。
- 如請求項1至3中任一項所述的預浸體,其中所述基質樹脂組成物包含熱自由基聚合起始劑。
- 如請求項4所述的預浸體,其中相對於所述(甲基)丙烯酸單體100質量份,包含0.1質量份~10質量份的所述熱自由基聚合起始劑。
- 如請求項4或5所述的預浸體,其中所述熱自由基聚合起始劑包含有機過氧化物類。
- 如請求項4至6中任一項所述的預浸體,其中所述熱自由基聚合起始劑包含10小時半衰期溫度為70℃以上的化合物。
- 如請求項1至7中任一項所述的預浸體,其中所述式(1)中,X為選自由具有選自由碳數1~10的脂肪族烴基、羥基、及鹵素原子所組成的群組中的取代基的芳基;脂環式結構;以及雜環式結構所組成的群組中的結構。
- 如請求項1至8中任一項所述的預浸體,其中所述式(1)中,n表示2~30的整數。
- 如請求項1至9中任一項所述的預浸體,其中所述(甲基)丙烯酸單體的聚合體的玻璃轉移溫度為所述環氧樹脂的硬化物的玻璃轉移溫度以下。
- 如請求項1至10中任一項所述的預浸體,其中所述(甲基)丙烯酸單體的平均雙鍵當量為150 g/eq以上。
- 如請求項1至11中任一項所述的預浸體,其中相對於所述環氧樹脂100質量份,包含5質量份~45質量份的所述(甲基)丙烯酸單體。
- 如請求項1至12中任一項所述的預浸體,其中所述(甲基)丙烯酸單體包含分子量190以上的(甲基)丙烯酸單體。
- 如請求項1至13中任一項所述的預浸體,其中相對於所述(甲基)丙烯酸單體的總質量,包含70質量%以上的單官能(甲基)丙烯酸單體。
- 一種纖維強化塑膠,是使如請求項1至14中任一項所述的預浸體硬化而成。
- 一種預浸體,包含含有下述結構要素[A]~結構要素[D]的基質樹脂組成物與碳纖維,所述預浸體中,所述基質樹脂組成物於70℃下的黏度為10 Pa·s以上,所述[B]的平均雙鍵當量為160 g/eq以上, [A]環氧樹脂 [B](甲基)丙烯酸單體 [C]硬化劑 [D]熱自由基聚合起始劑。
- 如請求項16所述的預浸體,其中所述基質樹脂組成物於下述硬化條件下硬化時的硬化物具有海島相分離結構,所述[A]的硬化物構成海相,所述[B]的聚合體構成島相, 硬化條件;將基質樹脂組成物注入至兩片玻璃板之間而成形為厚度2 mm的板狀,以2℃/分鐘升溫至烘箱環境溫度130℃,並於130℃下保持120分鐘。
- 如請求項16或17所述的預浸體,其中相對於所述環氧樹脂的總質量,包含30質量%以上的分子量為500以上的環氧樹脂。
- 如請求項16至18中任一項所述的預浸體,其中所述[A]的重量平均分子量為1500以上。
- 如請求項16至19中任一項所述的預浸體,其中所述[A]的平均環氧當量為200 g/eq以上。
- 如請求項16至20中任一項所述的預浸體,其中所述[A]包含具有噁唑啶酮環骨架的環氧樹脂或雙酚F型環氧樹脂。
- 如請求項16至21中任一項所述的預浸體,其中相對於所述[A]100質量份,包含5質量份~45質量份的所述[B]。
- 如請求項16至22中任一項所述的預浸體,其中所述[B]包含分子量190以上的(甲基)丙烯酸單體。
- 如請求項16至23中任一項所述的預浸體,其中相對於所述[B]的總質量,包含70質量%以上的單官能(甲基)丙烯酸單體。
- 如請求項16至24中任一項所述的預浸體,其中所述[B]包含於分子內具有一個以上的氧伸乙基的(甲基)丙烯酸單體。
- 如請求項16至25中任一項所述的預浸體,其中所述[B]包含於分子內具有一個以上的環狀骨架的(甲基)丙烯酸單體。
- 如請求項16至26中任一項所述的預浸體,其中所述[B]的聚合體的玻璃轉移溫度為所述[A]的硬化物的玻璃轉移溫度以下。
- 如請求項16至27中任一項所述的預浸體,其中所述[C]包含選自由二氰二胺、芳香族胺類、脲類、及咪唑類所組成的群組中的至少一種。
- 如請求項16至28中任一項所述的預浸體,其中相對於所述[C]的總質量,包含50質量%以上的[C1]熔點為70℃以上的成分。
- 如請求項16至29中任一項所述的預浸體,其中相對於所述[B]100質量份,包含0.1質量份~10質量份的所述[D]。
- 如請求項16至30中任一項所述的預浸體,其中所述[D]包含[D1]有機過氧化物類。
- 如請求項16至31中任一項所述的預浸體,其中所述[D]包含10小時半衰期溫度為70℃以上的化合物。
- 如請求項16至32中任一項所述的預浸體,其中所述基質樹脂組成物是於下述硬化條件下硬化後的硬化物的美國材料試驗協會D5045中測定的平面應變斷裂韌性K Ic為1.6 MPa·m 1/2以上者, 硬化條件;將基質樹脂組成物注入至兩片玻璃板之間而成形為厚度2 mm的板狀,以2℃/分鐘升溫至烘箱環境溫度130℃,並於130℃下保持120分鐘。
- 如請求項16至33中任一項所述的預浸體,其中所述基質樹脂組成物是於下述硬化條件下硬化後的硬化物的美國材料試驗協會D5045中測定的應變能量釋放率G Ic為0.7 kJ/m 2以上者, 硬化條件;將基質樹脂組成物注入至兩片玻璃板之間而成形為厚度2 mm的板狀,以2℃/分鐘升溫至烘箱環境溫度130℃,並於130℃下保持120分鐘。
- 一種纖維強化塑膠,是使如請求項16至34中任一項所述的預浸體硬化而成。
- 一種預浸體的製造方法,使包含下述結構要素[A]~結構要素[D]的基質樹脂組成物含浸於碳纖維基材中,所述預浸體的製造方法中, 以所述基質樹脂組成物於70℃下的黏度為10 Pa·s以上,且所述基質樹脂組成物中的所述[B]的平均雙鍵當量為160 g/eq以上的方式包含所述[B]的配方, [A]環氧樹脂 [B](甲基)丙烯酸單體 [C]硬化劑 [D]熱自由基聚合起始劑。
- 一種纖維強化塑膠,包含碳纖維、環氧樹脂硬化物、及下述結構式(1)所表示的(甲基)丙烯酸單體來源的聚合體, 式(1)中,R表示氫原子或甲基,X表示選自由可具有選自由碳數1~10的脂肪族烴基、羥基、及鹵素原子所組成的群組中的取代基的芳基;脂環式結構;以及雜環式結構所組成的群組中的結構,n表示1~30的整數。
- 如請求項37所述的纖維強化塑膠,其中所述式(1)中,X為選自由具有選自由碳數1~10的脂肪族烴基、羥基、及鹵素原子所組成的群組中的取代基的芳基;脂環式結構;以及雜環式結構所組成的群組中的結構。
- 如請求項37或38所述的纖維強化塑膠,其中所述式(1)中,n表示2~30的整數。
- 一種預浸體,包含基質樹脂組成物與碳纖維,所述預浸體中,所述基質樹脂組成物是於下述硬化條件下硬化後的硬化物的美國材料試驗協會D5045中測定的平面應變斷裂韌性K Ic為1.6 MPa·m 1/2以上者, 硬化條件;將基質樹脂組成物注入至兩片玻璃板之間而成形為厚度2 mm的板狀,以2℃/分鐘升溫至烘箱環境溫度130℃,並於130℃下保持120分鐘。
- 如請求項40所述的預浸體,其中所述平面應變斷裂韌性K Ic為2.2 MPa·m 1/2以上。
- 如請求項41所述的預浸體,其中於所述硬化條件下硬化後的硬化物的美國材料試驗協會D5045中測定的應變能量釋放率G Ic為0.7 kJ/m 2以上。
- 如請求項40至42中任一項所述的預浸體,其中於所述硬化條件下硬化後的硬化物的美國材料試驗協會D5045中測定的應變能量釋放率G Ic為1.2 kJ/m 2以上。
- 如請求項40至43中任一項所述的預浸體,其中所述基質樹脂組成物包含環氧樹脂。
- 如請求項40至44中任一項所述的預浸體,其中所述基質樹脂組成物包含(甲基)丙烯酸單體。
- 如請求項40至45中任一項所述的預浸體,其中所述基質樹脂組成物包含下述結構式(1)所表示的(甲基)丙烯酸單體, 式(1)中,R表示氫原子或甲基,X表示選自由可具有選自由碳數1~10的脂肪族烴基、羥基、及鹵素原子所組成的群組中的取代基的芳基;脂環式結構;以及雜環式結構所組成的群組中的結構,n表示1~30的整數。
- 如請求項46所述的預浸體,其中所述式(1)中,X為選自由具有選自由碳數1~10的脂肪族烴基、羥基、及鹵素原子所組成的群組中的取代基的芳基;脂環式結構;以及雜環式結構所組成的群組中的結構。
- 如請求項46或47所述的預浸體,其中所述式(1)中,n表示2~30的整數。
- 如請求項40至48中任一項所述的預浸體,其中所述基質樹脂組成物包含選自由二氰二胺、芳香族胺類、脲類、及咪唑類所組成的群組中的至少一種。
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