WO2014142024A1 - エポキシ樹脂組成物、プリプレグおよび繊維強化複合材料 - Google Patents

エポキシ樹脂組成物、プリプレグおよび繊維強化複合材料 Download PDF

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野村圭一郎
森岡信博
小林定之
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東レ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an epoxy resin composition from which an epoxy resin cured product excellent in toughness and rigidity can be obtained, and a prepreg and a fiber-reinforced composite material using the same.
  • Fiber reinforced composite materials using carbon fibers, aramid fibers, etc. as reinforcing fibers make use of their high specific strength and specific modulus to make structural materials such as aircraft and automobiles, sports applications such as tennis rackets, golf shafts and fishing rods Widely used in general industrial applications.
  • a method for producing these fiber reinforced composite materials a method is often used in which a prepreg, which is a sheet-like intermediate material in which reinforcing fibers are impregnated with a matrix resin, is laminated and then cured.
  • the method using a prepreg has an advantage that a high-performance fiber-reinforced composite material can be easily obtained because the orientation of the reinforcing fibers can be strictly controlled and the degree of freedom in designing the laminated structure is high.
  • a thermosetting resin composition is mainly used from the viewpoint of heat resistance and productivity, and an epoxy resin composition is preferable from the viewpoint of mechanical properties such as adhesion to reinforcing fibers. Used.
  • Fiber reinforced composite materials using epoxy resin as a matrix resin exhibit excellent heat resistance and good mechanical properties, but have low impact resistance due to low elongation and toughness of epoxy resin compared to thermoplastic resins. There is a need for improvement.
  • Patent Documents 1 and 2 propose a method of blending the thermoplastic component.
  • Patent Documents 1 and 3 propose a method of alloying a (meth) acrylic block copolymer with respect to an epoxy resin. In this method, excellent toughness can be provided by forming a fine phase structure without coarsening the phase separation structure, but further improvement in toughness is required.
  • Patent Document 5 As a technique for further improving the balance between toughness and rigidity of the cured epoxy resin, there is a technique for forming a phase separation structure after the curing reaction by using an epoxy resin composition combined with an epoxy compound having a specific SP value ( Patent Document 5).
  • This method is a technology that can express the toughness and rigidity of the cured epoxy resin by forming a fine phase separation structure after curing, greatly improving the performance of the matrix resin of the conventional fiber reinforced composite material It can be said that this technology can be improved.
  • depending on the reaction conditions there is also a problem that the physical properties deteriorate due to the change of the phase separation structure.
  • An object of the present invention is to provide an epoxy resin composition from which an epoxy resin cured product and a fiber reinforced composite material excellent in toughness and rigidity can be obtained.
  • An epoxy resin composition comprising an epoxy compound (A), a block copolymer (B), and a curing agent (C), wherein the block copolymer (B) is a (meth) acrylic polymer.
  • a polymer block (a) comprising a polymer block (b) comprising an acrylic polymer different from the polymer block (a), and a cured resin obtained by curing the epoxy resin composition.
  • An epoxy resin composition that forms a microphase-separated structure.
  • the epoxy according to (1) wherein 0 ⁇ X / Y ⁇ 1.10 is satisfied when the half-value width X of the primary scattering peak and the maximum wave number Y of the peak in the small-angle X-ray scattering measurement of the resin cured product are satisfied.
  • Resin composition (3)
  • the microphase separation structure of the cured resin product is any one structure selected from the group consisting of a lamellar structure, a gyroid structure, a cylinder structure, and a sphere structure, according to (1) or (2) The epoxy resin composition as described.
  • the block copolymer (B) is an ABA type triblock copolymer, A is the polymer block (a), and B is the polymer block (b).
  • the ratio of glycidyl (meth) acrylate in the polymer block (a) constituting the block copolymer (B) is 50% by mass or more, and any one of (1) to (5)
  • the ratio of n-butyl acrylate in the polymer block (b) constituting the block copolymer (B) is 50% by mass or more, and any one of (1) to (6) Epoxy resin composition.
  • the curing agent (C) is a polyamine-based curing agent, and the ratio of the polymer block (a) in the block copolymer (B) is 40% by mass or more and 70% by mass or less.
  • the curing agent (C) is a dicyandiamide-based curing agent, and the ratio of the polymer block (a) in the block copolymer (B) is 5% by mass or more and 40% by mass or less.
  • Epoxy resin composition (12)
  • the curing agent (C) is an anionic / cationic polymerization curing agent, and the ratio of the polymer block (a) in the block copolymer (B) is 5% by mass or more and 30% by mass or less, (9 ) Epoxy resin composition.
  • a prepreg comprising the epoxy resin composition according to any one of (1) to (12) and a reinforcing fiber.
  • a fiber-reinforced composite material comprising a cured resin obtained by curing the epoxy resin composition according to any one of (1) to (12), and reinforcing fibers.
  • a highly ordered microphase separation structure is formed in a cured epoxy resin obtained by curing, and has a fine and regular phase separation structure, which is excellent.
  • An epoxy resin cured product and a fiber reinforced composite material having toughness and rigidity are obtained.
  • the epoxy resin composition of the present invention comprises an epoxy compound (A), a block copolymer (B), and a curing agent (C) as essential components, and the cured resin forms a microphase separation structure after curing.
  • the epoxy compound (A) is a component necessary for heat resistance and mechanical property expression. Specifically, an epoxy resin having a precursor such as a phenol, amine, carboxylic acid, or intramolecular unsaturated carbon is preferred.
  • Examples of glycidyl ether type epoxy resins that use phenols as precursors include bisphenol A type epoxy resins, bisphenol F type epoxy resins, bisphenol S type epoxy resins, epoxy resins having a biphenyl skeleton, phenol novolac type epoxy resins, and cresol novolak type epoxy resins. Resin, resorcinol type epoxy resin, epoxy resin having naphthalene skeleton, trisphenylmethane type epoxy resin, phenol aralkyl type epoxy resin, dicyclopentadiene type epoxy resin, diphenylfluorene type epoxy resin and isomers and alkyl substitution of these epoxy resins And halogen-substituted products. Moreover, an epoxy resin obtained by modifying an epoxy resin having a phenol as a precursor with urethane or isocyanate is also included in this type.
  • bisphenol F type epoxy resin examples include Epicoat 806, Epicoat 807, Epicoat 1750, Epicoat 4004P, Epicoat 4007P, Epicoat 4009P (manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.), Epicron 830 (Dainippon Ink Chemical Co., Ltd.) And Epototo YD-170, Epototo YD-175, Epototo YDF2001, Epototo YDF2004 (manufactured by Tohto Kasei Co., Ltd.) and the like. Moreover, YSLV-80XY (made by Nippon Steel Chemical Co., Ltd.) etc. is mentioned as a commercial item of the tetramethyl bisphenol F type epoxy resin which is an alkyl substitution product.
  • Examples of the bisphenol S type epoxy resin include Epicron EXA-1515 (manufactured by Dainippon Ink & Chemicals, Inc.).
  • epoxy resins having a biphenyl skeleton include Epicoat YX4000H, Epicoat YX4000, Epicoat YL6616, Epicoat YL6121H, Epicoat YL6640 (above, manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.), NC-3000 (produced by Nippon Kayaku Co., Ltd.) Etc.
  • phenol novolac type epoxy resins include Epicoat 152, Epicoat 154 (manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.), Epicron N-740, Epicron N-770, Epicron N-775 (above, Dainippon Ink & Chemicals, Inc.) Etc.).
  • cresol novolac type epoxy resins include Epicron N-660, Epicron N-665, Epicron N-670, Epicron N-673, Epicron N-695 (above, Dainippon Ink & Chemicals, Inc.), EOCN -1020, EOCN-102S, EOCN-104S (Nippon Kayaku Co., Ltd.).
  • Examples of commercially available resorcinol-type epoxy resins include “Denacol (registered trademark) (hereinafter, the registered trademark is omitted)” EX-201 (manufactured by Nagase ChemteX Corporation).
  • Examples of commercially available epoxy resins having a naphthalene skeleton include Epicron HP4032 (manufactured by Dainippon Ink and Chemicals, Inc.), NC-7000, NC-7300 (manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.), and the like.
  • trisphenylmethane type epoxy resins examples include TMH-574 (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.), Tactix 742 (manufactured by Huntsman Advanced Materials), and the like.
  • dicyclopentadiene-type epoxy resins include Epicron HP7200, Epicron HP7200L, Epicron HP7200H (manufactured by Dainippon Ink & Chemicals, Inc.), Tactix558 (manufactured by Huntsman Advanced Materials), XD-1000-1L XD-1000-2L (manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.).
  • Examples of commercially available urethane and isocyanate-modified epoxy resins include AER4152 (produced by Asahi Kasei Epoxy Co., Ltd.) having an oxazolidone ring and ACR1348 (produced by Asahi Denka Co., Ltd.).
  • dimer acid-modified bisphenol A type epoxy resins examples include Epicoat 872 (manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.).
  • glycidylamine-type epoxy resins that use amines as precursors include tetraglycidyldiaminodiphenylmethane, glycidyl compounds of xylenediamine, triglycidylaminophenol, glycidylaniline, and their positional isomers, alkyl-substituted products, and halogen-substituted products. It is done.
  • tetraglycidyldiaminodiphenylmethane is preferable as a resin for composite materials as an aircraft structural material because of its excellent heat resistance.
  • glycidyl anilines are preferable because a high elastic modulus is obtained.
  • Examples of commercially available glycidyl compounds of xylenediamine include TETRAD-X (manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Company).
  • Examples of commercially available products of triglycidylaminophenol include Epicoat 630 (manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.), Araldite MY0500, MY0510, MY0600 (manufactured by Huntsman Advanced Materials), ELM100 (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.), and the like.
  • Examples of commercially available glycidyl anilines include GAN and GOT (manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.).
  • Examples of the epoxy resin having a carboxylic acid as a precursor include glycidyl compounds of phthalic acid, glycidyl compounds of hexahydrophthalic acid, glycidyl compounds of dimer acid, and isomers thereof.
  • Examples of commercially available hexahydrophthalic acid diglycidyl ester include Epomic R540 (manufactured by Mitsui Chemicals), AK-601 (manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.), and the like.
  • Examples of commercially available dimer acid diglycidyl ester include Epicoat 871 (manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.) and Epototo YD-171 (manufactured by Toto Kasei Co., Ltd.).
  • Examples of the epoxy resin having an intramolecular unsaturated carbon as a precursor include an alicyclic epoxy resin.
  • Commercially available products include “Celoxide (registered trademark)” (hereinafter, the registered trademark is omitted) 2021, Celoxide 2080 (manufactured by Daicel Chemical Industries, Ltd.), CY183 (manufactured by Huntsman Advanced Materials). Is mentioned.
  • the epoxy resin composition of the present invention includes an epoxy compound (A) for the purpose of improving workability by adjusting the viscoelasticity of the composition, or for the purpose of improving the elastic modulus and heat resistance of the resulting cured resin.
  • Epoxy compounds other than) can be added within the range in which the effects of the present invention are not impaired. These may be added in combination of not only one type but also a plurality of types.
  • the curing agent (C) is not particularly limited as long as it cures the epoxy compound, but polyamine curing agents, dicyandiamide curing agents, anion / cation polymerization curing agents, acid anhydride curing agents, and the like. Can be mentioned.
  • the curing agent is a component necessary for curing the epoxy resin composition.
  • the polyamine-based curing agent is a curing agent having a plurality of primary amino groups in the molecule, and the epoxy resin composition is cured by an addition reaction between active hydrogen in the primary amino group and an epoxy group in the epoxy compound.
  • aromatic amines such as 4,4′-diaminodiphenylmethane, 4,4′-diaminodiphenylsulfone, 3,3′-diaminodiphenylsulfone, m-phenylenediamine, m-xylylenediamine, and diethyltoluenediamine
  • aromatic amines such as 4,4′-diaminodiphenylmethane, 4,4′-diaminodiphenylsulfone, 3,3′-diaminodiphenylsulfone, m-phenylenediamine, m-xylylenediamine, and diethyltoluenediamine
  • modified amines obtained by reacting compounds such as epoxy compounds, acrylonitrile, phenol and formaldehyde, thiourea with amine-based curing agents having active hydrogen such as aromatic amine-based curing agents and aliphatic amine-based curing agents System hardeners are also included in this category.
  • aromatic polyamine curing agents include Seika Cure S (manufactured by Wakayama Seika Kogyo Co., Ltd.), MDA-220 (manufactured by Mitsui Chemicals), “jER Cure (registered trademark)” W (Mitsubishi Chemical Corporation) ), And 3,3′-DAS (Mitsui Chemicals), Lonacure (registered trademark) M-DEA (Lonza), Lonacure (registered trademark) M-DIPA (Lonza) ), Lonacure (registered trademark) M-MIPA (manufactured by Lonza), Lonzacure (registered trademark) DETDA 80 (manufactured by Lonza), and the like.
  • the blending amount thereof is 0.5 to 1.5 with respect to the epoxy compound (A) in the epoxy resin composition from the viewpoint of heat resistance and mechanical properties. Equivalents are preferable, and 0.8 to 1.2 equivalents are more preferable. If it is less than 0.5 equivalent, the curing reaction may not proceed. When it exceeds 1.5 equivalents, the cured resin obtained by curing the epoxy resin composition may not form a microphase-separated structure, and as a result, the mechanical properties may deteriorate. It is preferable to blend the polyamine curing agent into the resin as a powder from the viewpoint of storage stability at room temperature.
  • the dicyandiamide-based curing agent In the dicyandiamide-based curing agent, four active hydrogens undergo an addition reaction with the epoxy group in the epoxy compound, and the reaction between the cyano group and the secondary hydroxyl group of the opened epoxy group. The cyano group and the epoxy group have an oxazoline ring. The epoxy resin composition is cured by the reaction to be formed.
  • the dicyandiamide-based curing agent includes not only dicyandiamide but also dicyandiamide derivatives in which various compounds such as an epoxy resin, a vinyl compound, and an acrylic compound are combined with dicyandiamide.
  • Examples of commercially available dicyandiamide include DICY-7 and DICY-15 (above, Japan Epoxy Resin Co., Ltd.).
  • the blending amount is 0.3 to 1.5 with respect to the epoxy compound (A) in the epoxy resin composition from the viewpoint of heat resistance and mechanical properties. It is preferably an equivalent, and more preferably 0.5 to 1.0 equivalent. If it is less than 0.3 equivalent, the curing reaction may not proceed. When it exceeds 1.5 equivalents, the cured resin obtained by curing the epoxy resin composition may not form a microphase-separated structure, and as a result, the mechanical properties may deteriorate. It is preferable to blend dicyandiamide or a derivative thereof into the resin as a powder from the viewpoint of storage stability at room temperature.
  • diandiamide When dicyandiamide is used as the curing agent (C), diandiamide may be used alone or in combination with a dicyandiamide curing catalyst or other epoxy resin curing agent.
  • a dicyandiamide curing catalyst include ureas, imidazoles, and Lewis acid catalysts.
  • the epoxy resin curing agent include an aromatic amine curing agent, an alicyclic amine curing agent, and an acid anhydride curing agent.
  • commercially available ureas include DCMU99 (manufactured by Hodogaya Chemical Co., Ltd.), Omicure 24, Omicure 52, and Omicure 94 (above CVC Specialty Chemicals, Inc.).
  • Lewis acid catalysts include boron trifluoride / piperidine complex, boron trifluoride / monoethylamine complex, boron trifluoride / triethanolamine complex, boron trichloride / octylamine complex, etc. Is mentioned.
  • the blending amount thereof is 0.5 to 5.0 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the epoxy compound (A) in the epoxy resin composition from the viewpoint of heat resistance and mechanical properties.
  • the amount is 1.0 to 3.0 parts by mass.
  • the curing agent works as a catalyst for anionic polymerization / cationic polymerization, and the epoxy group in the epoxy compound is self-polymerized to cure the epoxy resin composition.
  • anionic polymerization type curing agents imidazoles such as 2-methylimidazole, 1-benzyl-2-methylimidazole, 2-ethyl-4-methylimidazole and their derivatives; adipic acid hydrazide, naphthalenecarboxylic acid hydrazide, etc.
  • carboxylic acid hydrazide derivatives such as N, N-dimethylaniline, N, N-dimethylbenzylamine, 2,4,6-tris (dimethylaminomethyl) phenol.
  • tertiary amines such as N, N-dimethylaniline, N, N-dimethylbenzylamine, 2,4,6-tris (dimethylaminomethyl) phenol.
  • the cationic polymerization curing agent include onium salt curing agents such as sulfonium salts, ammonium salts, and pyridinium salts, and aluminum complex composite curing agents.
  • imidazole or a derivative thereof is preferably used from the viewpoint of curing speed.
  • the blending amount thereof is 0.5 to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the epoxy compound (A) in the epoxy resin composition from the viewpoint of heat resistance and mechanical properties. preferable.
  • the amount is less than 0.5 parts by mass, the curing rate may be slow, and the curing reaction does not proceed sufficiently, which may adversely affect the mechanical properties.
  • it exceeds 10 mass parts although a cure rate will become quick, toughness may fall because a crosslinking density becomes high too much.
  • An acid anhydride-based curing agent is a curing agent having at least one carboxylic acid anhydride group in one molecule, and the epoxy resin composition is cured by a polycondensation reaction between the epoxy group in the epoxy compound and the carboxylic acid anhydride group. To do.
  • an acid anhydride having an aromatic ring such as phthalic anhydride but not having an alicyclic structure
  • an acid anhydride having neither an aromatic ring or an alicyclic structure such as succinic anhydride
  • hexahydro Phthalic anhydride methylhexahydrophthalic anhydride, methyldihydronadic anhydride, 1,2,4,5-cyclopentanetetracarboxylic dianhydride, 1,2,3,6-tetrahydrophthalic anhydride , Methyl-1,2,3,6-tetrahydrophthalic anhydride
  • nadic anhydride, methyl nadic anhydride bicyclo [2,2,2] oct-7-ene-2,3,5,6- Acid anhydrides having an alicyclic structure such as tetracarboxylic dianhydride and 4- (2,5-dioxotetrahydrofuran-3-yl) -3-methyl-1,2,5,6-tetra
  • the blending amount thereof is 0.5 to 1 with respect to the epoxy compound (A) in the epoxy resin composition from the viewpoint of heat resistance and mechanical properties.
  • 0.5 equivalent is preferable, and 0.8 to 1.2 equivalent is more preferable. If it is less than 0.5 equivalent, the curing reaction may not proceed. When it exceeds 1.5 equivalents, the cured resin obtained by curing the epoxy resin composition may not form a microphase-separated structure, and as a result, the mechanical properties may deteriorate.
  • the curing temperature and curing time for curing the epoxy resin composition of the present invention are not particularly limited, and can be appropriately selected depending on the curing agent and catalyst to be blended.
  • diaminodiphenylsulfone is used as the curing agent or catalyst
  • 2-ethyl-4-methylimidazole is obtained at a temperature of 180 ° C. for 2 hours
  • diaminodiphenylmethane is used, the temperature is 150 ° C. for 2 hours.
  • it is preferably cured at a temperature of 150 ° C. for 1 hour
  • dicyandiamide and DCMU it is preferably cured at a temperature of 135 ° C. for 2 hours.
  • the block copolymer (B) used in the present invention comprises (meth) acrylic (in this specification, methacryl and acrylic are collectively referred to as “(meth) acrylic”)-based polymer block (a) and polymer. It consists of a (meth) acrylic polymer block (b) different from the block (a).
  • the polymer block (a) is a block obtained by polymerizing a monomer selected from acrylic acid ester or methacrylic acid ester, and has a function of being compatible with the epoxy compound (A) after curing of the epoxy resin composition. Have.
  • the ratio of the monomer having a glycidyl group in the polymer block (a) is preferably 50% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, and further preferably 90% or more. preferable.
  • the epoxy resin composition is cured by using a monomer having a glycidyl group for the polymer block (a)
  • the glycidyl group and the curing agent (C) are similar to the glycidyl group of the epoxy compound (A).
  • the epoxy compound (A) and the polymer block (a) are easily compatible with each other, so that a microphase separation structure is easily formed. As a result, the obtained cured resin can obtain desired mechanical properties.
  • the ratio of the monomer having a glycidyl group in the polymer block (a) is less than 50% by mass, the compatibility between the epoxy compound (A) and the block copolymer (B) is lowered, and the epoxy resin composition is reduced.
  • the cured resin obtained by curing may not form a microphase-separated structure, and sufficient mechanical properties may not be obtained.
  • Examples of the monomer having a glycidyl group include glycidyl (meth) acrylate, 2,3-epoxy-2-methylpropyl (meth) acrylate, and (3,4-epoxycyclohexyl) methyl (meth) acrylate ( Mention may be made of esters of (meth) acrylic acid with organic group-containing alcohols containing epoxy rings, and epoxy group-containing unsaturated compounds such as 4-vinyl-1-cyclohexene 1,2 epoxide. From the viewpoint of availability, glycidyl (meth) acrylate is preferably used.
  • the polymer block (a) is composed of monomers having a glycidyl group such as glycidyl methacrylate and glycidyl acrylate, as well as methyl methacrylate, ethyl methacrylate, n-propyl methacrylate, n-butyl methacrylate, and isobutyl methacrylate.
  • a glycidyl group such as glycidyl methacrylate and glycidyl acrylate, as well as methyl methacrylate, ethyl methacrylate, n-propyl methacrylate, n-butyl methacrylate, and isobutyl methacrylate.
  • Methacrylic acid such as n-pentyl methacrylate, n-hexyl methacrylate, n-heptyl methacrylate, n-octyl methacrylate, 2-ethylhexyl methacrylate, nonyl methacrylate, decyl methacrylate, dodecyl methacrylate, stearyl methacrylate
  • Alkyl esters may be included.
  • the alkyl ester is preferably an alkyl ester having 1 to 18 carbon atoms. These can be used alone or in combination of two or more.
  • the polymer block (b) is a polymer block obtained by polymerizing an acrylic monomer, which is different from the polymer block (a). After the epoxy resin composition is cured, the polymer block (b) is phase-separated. It has the function to do. Therefore, it is preferable that the ratio of the monomer which has a glycidyl group in a polymer block (b) is less than 50 mass%, and it is more preferable that the monomer which has a glycidyl group is not included.
  • Examples of the monomer contained in the polymer block (b) include methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, n-propyl (meth) acrylate, n-butyl (meth) acrylate, Isobutyl (meth) acrylate, n-pentyl (meth) acrylate, n-hexyl (meth) acrylate, n-heptyl (meth) acrylate, n-octyl (meth) acrylate, 2- (meth) acrylic acid 2- Mention may be made of (meth) acrylic acid alkyl esters such as ethylhexyl, (meth) acrylic acid nonyl, (meth) acrylic acid decyl, (meth) acrylic acid dodecyl, (meth) acrylic acid stearyl.
  • the alkyl ester is preferably an alkyl ester having 1 to 18 carbon atoms.
  • the polymer block (b) is more preferably composed of a monomer that forms a flexible polymer block from the viewpoint of improving mechanical properties of the cured product of the epoxy resin composition, particularly impact resistance and toughness.
  • Flexible polymer blocks include methyl acrylate, ethyl acrylate, n-propyl acrylate, n-butyl acrylate, isobutyl acrylate, n-pentyl (meth) acrylate, n-hexyl (meth) acrylate, N-heptyl (meth) acrylate, n-octyl (meth) acrylate, 2-ethylhexyl (meth) acrylate, nonyl (meth) acrylate, decyl (meth) acrylate, dodecyl (meth) acrylate, (meth ) Stearyl acrylate.
  • the ratio of n-butyl acrylate in the polymer block (b) is preferably 50% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, and further preferably 90% by mass or more.
  • the ratio of n-butyl acrylate in the polymer block (b) is less than 50% by mass, the flexibility of n-butyl acrylate is not sufficiently exhibited, so that the resulting cured resin has impact resistance and toughness. Etc. may be low.
  • the ratio of the polymer block (a) in the block copolymer (B) varies depending on the type of the curing agent, but is preferably 5% by mass or more and 80% by mass or less in the block copolymer (B).
  • the ratio of the polymer block (a) is less than 5% by mass, the compatibility with the epoxy compound (A) is deteriorated, and a coarse phase separation structure may be formed after curing.
  • the ratio of a polymer block (a) exceeds 80 mass%, toughness may fall.
  • the ratio of the polymer block (a) in the block copolymer (B) is more preferably 40% by mass or more and 70% by mass or less.
  • the range of 40 mass% or more and 60 mass% or less is more preferable.
  • the ratio of the polymer block (a) is less than 40% by mass, the compatibility with the epoxy compound is deteriorated, and a coarse phase separation structure may be formed after curing.
  • the ratio of a polymer block (a) is 70 mass% or less, the hardened
  • the ratio of the polymer block (a) in the block copolymer (B) is preferably 5% by mass or more and 40% by mass or less. % To 30% by mass is more preferable.
  • the ratio of the polymer block (a) is less than 5% by mass, the compatibility with the epoxy compound is deteriorated, and a coarse phase separation structure may be formed after curing.
  • the ratio of a polymer block (a) is 40 mass% or less, the hardened
  • the ratio of the polymer block (a) in the block copolymer (B) is preferably 5% by mass or more and 30% by mass or less. The range of mass% or more and 20 mass% or less is more preferable.
  • the ratio of the polymer block (a) is less than 5% by mass, the compatibility with the epoxy compound is deteriorated, and a coarse phase separation structure may be formed after curing.
  • the ratio of a polymer block (a) is 30 mass% or less, the hardened
  • the ratio of the polymer block (a) in the block copolymer (B) can be calculated using 1 H-NMR measurement using deuterated chloroform as a solvent.
  • the molecular form of the block copolymer (B) may be any of a linear block copolymer, a branched block copolymer and a mixture thereof, but is linear in terms of cost and ease of polymerization. Block copolymers are preferred. Further, the linear block copolymer may have any structure, but from the viewpoint of the physical properties of the linear block copolymer or the physical properties of the composition, the linear block copolymer may be a triblock copolymer. Particularly preferred. Furthermore, it is a triblock copolymer represented by ABA when the polymer block (a) is A and the polymer block (b) is B from the viewpoint of ease of handling during processing and physical properties of the composition. It is preferable.
  • the lower limit of the weight average molecular weight of the block copolymer (B) is preferably 10,000 or more, and more preferably 40,000 or more. When the weight average molecular weight is less than 10,000, the mechanical properties of the polymer block (b) may not be sufficiently exhibited, and the toughness may decrease.
  • the upper limit of the weight average molecular weight of the block copolymer (B) is preferably 400,000 or less, more preferably 200,000 or less, and further preferably 100,000 or less. When the weight average molecular weight exceeds 400,000, the handleability of the block copolymer itself may be poor, and when the epoxy resin composition is used, the viscosity increases, which may cause problems during molding.
  • the block copolymer (B) preferably has a molecular weight distribution (Mw / Mn), which is a ratio of the weight average molecular weight (Mw) and the number average molecular weight (Mn), of 1.50 or less, and is 1.20 or less. It is more preferable. If the molecular weight distribution is large and the molecular chain length is not uniform, the cured product of the epoxy resin composition may not form a microphase separation structure due to a decrease in molecular uniformity, resulting in a decrease in mechanical properties. is there.
  • requiring by converting into molecular weight using the retention time of the calibration sample of polymethyl methacrylate using gel permeation chromatography (GPC) can be used.
  • the content ratio of the block copolymer (B) in the epoxy resin composition of the present invention is preferably 10% by mass or more. If the content ratio is less than 10% by mass, the microphase separation structure may not be formed because the ratio of the polymer block (b) constituting the phase (II) in the microphase separation structure is too small. .
  • the content ratio of the block copolymer (B) in the epoxy resin composition is preferably 50% by mass or less, more preferably 40% by mass or less, and further preferably 30% by weight or less. preferable. When the content ratio exceeds 50% by mass, there may be a problem during molding, such as when the epoxy resin composition is used, the viscosity becomes too high, resulting in poor handling of the resin.
  • the epoxy resin composition of the present invention is characterized in that a cured resin product after curing forms a microphase separation structure.
  • the microphase separation structure is a phase separation structure formed through microphase separation.
  • Microphase separation refers to a periodic block of about the size of a molecular chain so that a block copolymer in which two or more kinds of inherently incompatible polymers are covalently bonded to each other minimizes the interfacial area. This is a phase separation mode in which a simple interface is spontaneously formed and phase-separated into a phase (I) and a phase (II) at the molecular level.
  • the components constituting the (I) phase and the (II) phase are components constituting the block copolymer, but may contain other components that are compatible with the (I) phase or the (II) phase.
  • the microphase-separated structure is characterized by being highly ordered, whereby an epoxy resin cured product and a fiber-reinforced composite material having an excellent balance between toughness and rigidity can be obtained.
  • the epoxy compound (A), the block copolymer (B) and the curing agent (C) are compatible before the curing reaction, and after the curing reaction, the (I) phase and ( II) It is preferable to perform microphase separation into phases.
  • the phase (I) is preferably composed of a phase in which the cured product of the epoxy compound (A) and the polymer block (a) constituting the block copolymer (B) are compatible, and (II)
  • the phase is preferably composed of a polymer block (b) constituting the block copolymer (B).
  • the order of the microphase separation structure can be confirmed by scattering measurement including, for example, small angle X-ray scattering measurement and neutron scattering measurement.
  • scattering measurement it can be said that the narrower the peak of the angular distribution profile of the scattering intensity derived from the phase structure is, the more ordered it is.
  • the microphase-separated structure of the cured product obtained by curing the epoxy resin composition of the present invention can be confirmed by the angle distribution profile of the scattering intensity of the small angle X-ray scattering measurement.
  • the small-angle X-ray scattering measurement it is preferable that 0 ⁇ X / Y ⁇ 1.10 is satisfied, where X is the half width of the primary scattering peak derived from the microphase-separated structure and Y is the maximum wave number of the peak. It is more preferable that ⁇ X / Y ⁇ 1.05.
  • a secondary or higher scattering peak derived from the microphase separation structure is detected. Detecting a secondary or higher scattering peak indicates that the phase separation structure is very highly ordered.
  • the microphase separation structure is generally divided into a lamellar structure, a gyroidal structure, a cylinder structure, and a sphere structure.
  • the microphase separation structure of the cured product of the epoxy resin composition of the present invention is preferably any structure selected from the group consisting of these.
  • the method for confirming the microphase separation structure includes observation with a transmission electron microscope or observation with a scanning electron microscope of a cross section of the cured resin.
  • the measurement sample may be stained with osmium or the like, if necessary. Dyeing can be performed by a usual method.
  • the value of the scattering vector of the n-th scattering peak is q n
  • the value of q n / q 1 The form of the microphase separation structure of the resin cured product can be estimated. lamellar structure when the value of q n / q 1 is 1, 2, 3, 1, 3 0.5, cylinder structure in the case of 2,7 0.5., 1,2 0.5 In the case of 3 0.5 ..., It can be estimated as a sphere structure.
  • the structural period of the micro phase separation structure formed by the cured product of the epoxy resin composition is preferably 10 nm or more, and more preferably 20 nm or more. If the structural period is less than 10 nm, the difference from the compatible state is difficult to understand, and the effect of the microphase separation structure may not be exhibited. Further, the structural period is preferably 200 nm or less, more preferably 150 nm or less, and further preferably 100 nm or less. When the structural period exceeds 200 nm, the phase separation structure becomes too large, and it becomes difficult to express excellent physical properties.
  • the structural period of such a microphase-separated structure can be measured by the small angle X-ray scattering measurement, transmission electron microscope observation, or scanning electron microscope observation.
  • ⁇ m ( ⁇ / 2) / sin ( ⁇ m / 2) using the scattering angle ⁇ m given by the obtained scattering peak and the wavelength ⁇ of the scattered light in the scatterer.
  • the structural period ⁇ m can be obtained.
  • the structural period ⁇ m can be obtained from k.
  • the epoxy resin composition of the present invention can be blended with a thermoplastic resin soluble in an epoxy compound, organic particles such as rubber particles and thermoplastic resin particles, and the like within a range not impairing the object of the present invention.
  • thermoplastic resin soluble in the epoxy compound a thermoplastic resin having a hydrogen bonding functional group that can be expected to improve the adhesion between the epoxy resin composition and the reinforcing fiber is preferably used.
  • the hydrogen bondable functional group include an alcoholic hydroxyl group, an amide bond, a sulfonyl group, and a carboxyl group.
  • thermoplastic resin having an alcoholic hydroxyl group examples include polyvinyl acetal resins such as polyvinyl formal and polyvinyl butyral, polyvinyl alcohol, and phenoxy resins.
  • thermoplastic resin having an amide bond examples include polyamide, polyimide, polyamideimide, and polyvinylpyrrolidone.
  • thermoplastic resin having a sulfonyl group examples include polysulfone.
  • Polyamide, polyimide and polysulfone may have a functional group such as an ether bond and a carbonyl group in the main chain.
  • the polyamide may have a substituent on the nitrogen atom of the amide group.
  • thermoplastic resin having a carboxyl group examples include polyester, polyamide, and polyamideimide.
  • thermoplastic resins that are soluble in epoxy compounds and have hydrogen-bonding functional groups include Denkabutyral as a polyvinyl acetal resin and “Denkapoval (registered trademark)” as a polyvinyl alcohol resin (Electrochemical Industry Co., Ltd.) ), “Vinylec (registered trademark)” (manufactured by Chisso Corporation), “Macromelt (registered trademark)” (manufactured by Henkel Co., Ltd.), “Amilan (registered trademark)” CM4000 (manufactured by Toray Industries, Inc.) as a polyamide resin "Ultem (registered trademark)” (manufactured by Subic Innovative Plastics), “Aurum (registered trademark)” (manufactured by Mitsui Chemicals), “Vespel (registered trademark)” (manufactured by DuPont) as a polyimide "Victrex (registered trademark)”
  • the acrylic resin has high compatibility with the epoxy resin and is preferably used for controlling the viscoelasticity.
  • Commercially available acrylic resins include “Dianar (registered trademark)” BR series (Mitsubishi Rayon Co., Ltd.), “Matsumoto Microsphere (registered trademark)” M, M100, M500 (Matsumoto Yushi Seiyaku Co., Ltd.) ) And the like.
  • cross-linked rubber particles, and core-shell rubber particles obtained by graft polymerization of a different polymer on the surface of the cross-linked rubber particles are preferably used from the viewpoint of handleability and the like.
  • Examples of commercially available core-shell rubber particles include “Paraloid (registered trademark)” EXL-2655, EXL-2611, and EXL-3387 (produced by Rohm and Haas Co., Ltd.) made of a butadiene / alkyl methacrylate / styrene copolymer.
  • thermoplastic resin particles polyamide particles or polyimide particles are preferably used.
  • polyamide particles SP-500 (manufactured by Toray Industries, Inc.), “Orgazol (registered trademark)” (manufactured by Arkema Co., Ltd.) and the like can be used.
  • additives may be added to the epoxy resin composition of the present invention as long as the object of the present invention is not impaired.
  • these other additives include talc, kaolin, mica, clay, bentonite, sericite, basic magnesium carbonate, aluminum hydroxide, glass flake, glass fiber, carbon fiber, asbestos fiber, rock wool, calcium carbonate, Silica sand, wollastonite, barium sulfate, glass beads, titanium oxide and other reinforcing or non-plate-like fillers; or antioxidants (phosphorous, sulfur, etc.); UV absorbers; heat stabilizers (hindered phenols) Lubricants; Release agents; Antistatic agents; Antiblocking agents; Colorants including dyes and pigments; Flame retardants (halogen-based, phosphorus-based, etc.); Flame retardant aids (antimony compounds typified by antimony trioxide) , Zirconium oxide, molybdenum oxide, etc.); foaming agent; coupling agent (epoxy group, amino group
  • a prepreg can be obtained by combining the epoxy resin composition of the present invention and reinforcing fibers.
  • the reinforcing fiber used in the present invention is not particularly limited, and glass fiber, carbon fiber, aramid fiber, boron fiber, alumina fiber, silicon carbide fiber and the like are used. Two or more of these fibers may be mixed and used. Among these, it is preferable to use carbon fibers from which a lightweight and highly rigid fiber-reinforced composite material can be obtained. Of these, carbon fibers having a tensile modulus of 230 to 800 GPa are preferably used. When such a high elastic modulus carbon fiber is combined with the epoxy resin composition of the present invention, the effects of the present invention are particularly prominent, and good impact resistance tends to be obtained.
  • the form of the reinforcing fiber is not particularly limited, and for example, long fiber, tow, woven fabric, mat, knit, braid, short fiber, etc. aligned in one direction are used.
  • the term “long fiber” as used herein refers to a single fiber or fiber bundle that is substantially continuous by 10 mm or more.
  • a short fiber is a fiber bundle cut to a length of less than 10 mm.
  • an array in which reinforcing fiber bundles are aligned in a single direction is most suitable.
  • a prepreg can be produced by impregnating a reinforcing fiber with an epoxy resin composition.
  • the impregnation method include a wet method and a hot melt method (dry method).
  • the reinforcing fiber is pulled up and the solvent is evaporated from the reinforcing fiber using an oven or the like. This is a method of impregnating a reinforcing fiber.
  • the hot melt method is a method in which a reinforcing fiber is impregnated directly with an epoxy resin composition whose viscosity is reduced by heating, or a film in which an epoxy resin composition is coated on a release paper is prepared, and then both sides of the reinforcing fiber Alternatively, it is a method of impregnating a reinforcing fiber with a resin by overlapping the film from one side and heating and pressing. In particular, since there is no solvent remaining in the prepreg, it is preferable to use a hot melt method.
  • the amount of reinforcing fibers per unit area of the prepreg is preferably 70 to 200 g / m 2 .
  • the fiber content in the prepreg is preferably 60 to 90% by mass, more preferably 65 to 85% by mass, and further preferably 70 to 80% by mass.
  • the fiber content is less than 60% by mass, the ratio of the resin is too large, so that the advantage of the fiber reinforced composite material having excellent specific strength and specific elastic modulus cannot be obtained, and the calorific value upon curing of the epoxy resin composition is not obtained. May be too high. Moreover, since the impregnation defect of resin will be produced when a fiber content rate exceeds 90 mass%, there exists a possibility that the fiber reinforced composite material obtained may be a thing with many voids.
  • a fiber-reinforced composite material can be obtained by curing the above prepreg. Moreover, a fiber-reinforced composite material can also be obtained by combining and curing the epoxy resin composition of the present invention with reinforcing fibers without going through an intermediate such as a prepreg.
  • the production method of the fiber reinforced composite material is not particularly limited, but the prepreg lamination molding method, the resin transfer molding method, the resin film infusion method, the hand layup method, the sheet molding compound method, the filament winding method, and the pultrusion method. Can be used.
  • the resin transfer molding method is a method in which a reinforcing fiber base material is directly impregnated with a liquid epoxy resin composition and cured. Since this method does not go through an intermediate such as a prepreg, it has the potential to reduce the molding cost and can be suitably used for structural materials such as spacecraft, aircraft, railway vehicles, automobiles, and ships.
  • the filament winding method one to several tens of rovings are arranged, and while impregnating the epoxy resin composition, tension is applied and a rotating mold (mandrel) is formed at a predetermined angle until it reaches a predetermined thickness. It is a method of demolding after winding and curing of the epoxy resin composition.
  • the reinforcing fibers are continuously passed through an impregnation tank filled with a liquid epoxy resin composition, and the reinforcing fibers impregnated with the epoxy resin composition are passed through a squeeze die and a heating mold by a tension machine.
  • This is a molding method in which molding and curing are performed while continuously drawing. Since this method has an advantage that a fiber reinforced composite material can be continuously formed, it is used for manufacturing reinforced fiber plastics (FRP) such as fishing rods, rods, pipes, sheets, antennas, and building structures.
  • FRP reinforced fiber plastics
  • the prepreg laminate molding method is a method in which after shaping and / or laminating a prepreg, the epoxy resin composition is heated and cured while applying pressure to the shaped product and / or the laminate.
  • a press molding method as a method of applying heat and pressure, a press molding method, an autoclave molding method, a bagging molding method, a wrapping tape method, an internal pressure molding method, or the like can be appropriately used.
  • the autoclave molding method is a method in which a prepreg is laminated on a tool plate having a predetermined shape, covered with a bagging film, and cured by pressure and heating while degassing the inside of the laminate.
  • the fiber orientation can be precisely controlled, and the generation of voids is small, so that a molded article having excellent mechanical properties and high quality can be obtained.
  • the pressure applied during molding is preferably 3 to 20 kg / cm 2 .
  • the molding temperature is preferably in the range of 90 to 200 ° C.
  • the wrapping tape method is a method of forming a tubular body made of a fiber reinforced composite material by winding a prepreg around a mandrel or the like.
  • This method is a preferable method when producing rod-shaped bodies such as golf shafts and fishing rods. More specifically, the prepreg is wound around a mandrel, and a wrapping tape made of a thermoplastic film is wound outside the wound prepreg for fixing and applying pressure, and tension is applied to the prepreg.
  • the resin is heated and cured in an oven, and then the mandrel is removed to obtain a tubular body.
  • the tension applied to the prepreg by the wrapping tape is preferably 2.0 to 8.0 kgf.
  • the molding temperature is preferably in the range of 80 to 200 ° C.
  • the internal pressure molding method is to set a preform in which a prepreg is wound on an internal pressure applying body such as a tube made of a thermoplastic resin in a mold, and then introduce a high pressure gas into the internal pressure applying body to apply pressure. At the same time, the mold is heated and molded.
  • This method is preferably used when molding a complicated shape such as a golf shaft, a bad, a racket such as tennis or badminton.
  • the pressure applied during molding is preferably 5 to 20 kg / cm 2 .
  • the molding temperature is preferably in the range of room temperature to 200 ° C, more preferably in the range of 80 to 180 ° C.
  • the prepreg laminate molding method is preferable because the obtained fiber-reinforced composite material is excellent in rigidity and strength.
  • the fiber reinforced composite material using the cured product of the epoxy resin composition of the present invention as a matrix resin is preferably used for sports applications, general industrial applications, and aerospace applications. More specifically, in sports applications, it is preferably used for golf shafts, fishing rods, tennis or badminton racket applications, stick applications such as hockey, and ski pole applications. In addition, in general industrial applications, structural materials for moving bodies such as automobiles, bicycles, ships and railway vehicles, drive shafts, leaf springs, windmill blades, pressure vessels, flywheels, paper rollers, roofing materials, cables, and repair reinforcement materials Etc. are preferably used.
  • Example demonstrates the epoxy resin composition of this invention further in detail, this invention is not limited by these examples.
  • the following resin raw materials were used.
  • ⁇ Curing agent> ⁇ 4-Methyl-2-ethylimidazole (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) -Dicyandiamide (DICY7, manufactured by Mitsubishi Chemical). ⁇ 3,3'-Diaminodiphenylsulfone ⁇ Curing Accelerator> • 3- (3,4-dichlorophenyl) -1,1-dimethylurea (DCMU99, manufactured by Hodogaya Chemical Co., Ltd.).
  • Resin preparation and various physical properties were measured by the following methods.
  • the physical properties were measured in an environment with a temperature of 23 ° C. and a relative humidity of 50% unless otherwise specified.
  • the obtained block copolymer is an ABA triblock copolymer, where A is the polymer block (a) and B is the polymer block (b), and the polymer block ( The ratio of glycidyl methacrylate in a) was 100% by mass, and the ratio of butyl acrylate in the polymer block (b) was also 100% by mass.
  • the solution was heated under reduced pressure at 100 ° C. for 1 hour to remove the solvent and residual monomer, thereby obtaining an n-butyl acrylate polymer (PBA3).
  • PBA3 n-butyl acrylate polymer
  • the obtained precipitate was dissolved in acetone, and the metal component was removed through an activated alumina column. Then, the block copolymer (BCP1) was obtained by removing acetone from a solution at room temperature and pressure reduction using a rotary evaporator, and making it vacuum-dry.
  • the molecular weight of the polymer obtained using GPC was measured as shown in (3) below, the weight average molecular weight was 61,900 and the molecular weight distribution was 1.27.
  • the ratio of the glycidyl methacrylate polymer was calculated using NMR as shown in (4) below, the ratio of the glycidyl methacrylate polymer to the entire copolymer was 10% by mass.
  • the obtained precipitate was dissolved in acetone, and the metal component was removed through an activated alumina column. Then, the block copolymer (BCP5) was obtained by removing acetone from a solution at room temperature and pressure reduction using a rotary evaporator, and making it vacuum-dry.
  • the molecular weight of the polymer obtained using GPC was measured as shown in (3) below, the weight average molecular weight was 87, 200, and the molecular weight distribution was 1.30.
  • the ratio of the glycidyl methacrylate polymer was calculated using NMR as shown in (4) below, the ratio of the glycidyl methacrylate polymer to the entire copolymer was 13% by mass.
  • the obtained precipitate was dissolved in acetone, and the metal component was removed through an activated alumina column. Then, the block copolymer (BCP7) was obtained by removing acetone from a solution at normal temperature and pressure reduction using a rotary evaporator, and making it vacuum-dry.
  • the molecular weight of the polymer obtained using GPC was measured as shown in (3) below, the weight average molecular weight was 157,500 and the molecular weight distribution was 1.49.
  • the ratio of the glycidyl methacrylate polymer was calculated using NMR as shown in (4) below, the ratio of the glycidyl methacrylate polymer to the entire copolymer was 15% by mass.
  • the obtained precipitate was dissolved in acetone, and the metal component was removed through an activated alumina column. Then, the block copolymer (BCP9) was obtained by removing acetone from a solution at room temperature and pressure reduction using a rotary evaporator, and making it vacuum-dry.
  • the molecular weight of the polymer obtained using GPC was measured as shown in (3) below, the weight average molecular weight was 60,500 and the molecular weight distribution was 1.46.
  • the ratio of the glycidyl methacrylate polymer was calculated using NMR as shown in (4) below, the ratio of the glycidyl methacrylate polymer to the entire copolymer was 66% by mass.
  • the obtained precipitate was dissolved in acetone, and the metal component was removed through an activated alumina column. Then, the block copolymer (BCP10) was obtained by removing acetone from a solution at room temperature and pressure reduction using a rotary evaporator, and making it vacuum-dry.
  • the molecular weight of the polymer obtained using GPC was measured as shown in (3) below, the weight average molecular weight was 40,800 and the molecular weight distribution was 1.48.
  • the ratio of the glycidyl methacrylate polymer was calculated using NMR as shown in (4) below, the ratio of the glycidyl methacrylate polymer to the entire copolymer was 47% by mass.
  • the obtained precipitate was dissolved in acetone, and the metal component was removed through an activated alumina column. Then, the block copolymer (BCP11) was obtained by removing acetone from a solution at normal temperature and pressure reduction using a rotary evaporator, and making it vacuum-dry.
  • the molecular weight of the polymer obtained using GPC was measured as shown in (3) below, the weight average molecular weight was 33,200 and the molecular weight distribution was 1.44.
  • the ratio of the glycidyl methacrylate polymer was calculated using NMR as shown in (4) below, the ratio of the glycidyl methacrylate polymer to the entire copolymer was 66% by mass.
  • the weight average molecular weight and molecular weight distribution were calculated using gel permeation chromatography (GPC).
  • the weight average molecular weight and molecular weight distribution were measured using Shimadzu GPC system (LC-20AD, CBM-20A, RID-10A, SPD-M20A, CTO-20A, SIL-20A HT , DGU-20A 3 ) as a solvent.
  • Shimadzu GPC system LC-20AD, CBM-20A, RID-10A, SPD-M20A, CTO-20A, SIL-20A HT , DGU-20A 3
  • Tetrahydrofuran, two "Shodex (registered trademark)” 80M (made by Showa Denko) and one "Shodex (registered trademark)” 802 (made by Showa Denko) are used in the column, and RI (differential refractive index) is used as a detector.
  • a detector was used. 0.3 ⁇ L of the sample was injected, and the retention time of the sample measured at a flow rate of 1 mL / min was calculated by converting it to molecular weight using the retention time of the calibration sample for polymethylmethacrylic acid. Furthermore, molecular weight distribution (Mn / Mw) was calculated
  • Ratio measurement of polymer block The ratio of each polymer block to the whole copolymer was calculated by 1 H-NMR measurement using deuterated chloroform as a solvent.
  • the peak area derived from the glycidyl group of the glycidyl methacrylate polymer and the peak area derived from the alkyl group of the butyl acrylate polymer was calculated from the ratio.
  • the X-ray used was measured with a line light source having a wavelength of 1.54 angstroms and an SAXS imaging plate as a detector for an integration time of 3 minutes.
  • the obtained two-dimensional image was integrated for 10 pixels in the direction perpendicular to the line ray using the analysis software “SAXSquant 3.80”.
  • SAXSquant 3.80 From the obtained one-dimensional scattering profile, the presence or absence of a peak is confirmed.
  • the scattering angle ⁇ m giving the primary scattering peak and the wavelength ⁇ of the scattered light in the scatterer are used.
  • the value of X / Y was calculated, where X is the half width of the primary scattering peak and Y is the maximum wave number of the peak.
  • Electron microscope observation of cured product (measurement of presence or absence of microphase separation structure)
  • the prepared cured resin was dyed and then cut into thin sections, and a transmission electron image was obtained at an appropriate magnification using a transmission electron microscope under the following conditions to confirm the presence or absence of a microphase separation structure.
  • As the staining agent OsO 4 and RuO 4 were properly used according to the resin composition so that the morphology was sufficiently contrasted.
  • the appropriate magnification is 50,000 times when the structural period obtained by small-angle X-ray scattering is 1 nm or more and less than 10 nm, 20,000 times when the structural period is 10 nm or more and less than 100 nm, and the structural period is 100 nm.
  • the 90 ° bending strength of the fiber reinforced composite material was measured as an index of adhesion between the epoxy resin composition and the reinforced fiber.
  • the unidirectional laminate produced in the above (12) was cut out to have a thickness of 2 mm, a width of 15 mm, and a length of 60 mm.
  • Instron universal testing machine Instron
  • measurement was performed under the conditions of a crosshead speed of 1.0 mm / min, a span of 40 mm, an indenter diameter of 10 mm, and a fulcrum diameter of 4 mm.
  • 90 ° bending strength and bending breaking elongation was measured.
  • the bending strength and bending breaking elongation which were obtained were converted into Vf60%.
  • Examples 1 to 9 As shown in Table 1, an epoxy compound, a block copolymer and a curing agent were blended by the method described in Production Example 1 and Production Example 4 to produce an epoxy resin composition and a cured product thereof. From the small-angle X-ray scattering measurement and the electron microscope observation, it was revealed that the cured product formed a cylindrical microphase separation structure. As a result of various physical property measurements, the obtained cured product had good bending elastic modulus, bending rupture elongation, and toughness.
  • Example 10 to 13 As shown in Table 2, an epoxy compound, a block copolymer and a curing agent were blended by the method described in Production Example 2 and Production Example 5 to produce an epoxy resin composition and a cured product thereof. From the small-angle X-ray scattering measurement and the electron microscope observation, it was revealed that the cured product formed a cylindrical microphase separation structure. As a result of various physical property measurements, the obtained cured product had good bending elastic modulus, bending rupture elongation, and toughness. Furthermore, the heat resistance was also good.
  • Examples 14 to 19 As shown in Table 2, an epoxy compound, a block copolymer and a curing agent were blended by the method described in Production Example 3 and Production Example 6 to produce an epoxy resin composition and a cured product thereof. From the small-angle X-ray scattering measurement and the electron microscope observation, it was revealed that the cured product formed a cylindrical microphase separation structure. As a result of various physical property measurements, the obtained cured product had good bending elastic modulus, bending rupture elongation, and toughness.
  • Example 20 to 23 As shown in Table 5, an epoxy resin composition was produced by the method described in Production Example 2, and a unidirectional laminate of fiber-reinforced composite material was produced by the method (12). When 0 ° and 90 ° bending tests were performed, the bending strength and the bending elongation at break were both good.
  • the fiber reinforced composite material using the cured product of the epoxy resin composition of the present invention as a matrix resin is preferably used for sports applications, general industrial applications, and aerospace applications. More specifically, in sports applications, it is preferably used for golf shafts, fishing rods, tennis and badminton racket applications, stick applications such as hockey, and ski pole applications. In addition, in general industrial applications, structural materials for moving bodies such as automobiles, bicycles, ships and railway vehicles, drive shafts, leaf springs, windmill blades, pressure vessels, flywheels, paper rollers, roofing materials, cables, and repair reinforcement materials Etc. are preferably used.

Abstract

 本発明のエポキシ樹脂組成物は、エポキシ化合物(A)、ブロック共重合体(B)、および硬化剤(C)を含むエポキシ樹脂組成物であって、該ブロック共重合体(B)が、(メタ)アクリル系重合体からなる重合体ブロック(a)および重合体ブロック(a)とは異なるアクリル系重合体からなる重合体ブロック(b)からなり、かつ、該エポキシ樹脂組成物を硬化して得られる樹脂硬化物がミクロ相分離構造を形成するものである。本発明のエポキシ樹脂組成物の硬化物は、高度に秩序化した相構造を形成することにより、靭性および剛性に優れる。

Description

エポキシ樹脂組成物、プリプレグおよび繊維強化複合材料
 本発明は、靭性および剛性に優れたエポキシ樹脂硬化物が得られるエポキシ樹脂組成物、ならびに、それを用いたプリプレグおよび繊維強化複合材料に関する。
 炭素繊維やアラミド繊維などを強化繊維として用いた繊維強化複合材料は、その高い比強度および比弾性率を利用して、航空機や自動車などの構造材料、テニスラケット、ゴルフシャフト、釣り竿などのスポーツ用途、一般産業用途などに広く利用されている。これら繊維強化複合材料の製造方法には、強化繊維にマトリックス樹脂が含浸されたシート状中間材料であるプリプレグを用い、それを複数枚積層した後、硬化する方法がよく用いられている。プリプレグを用いる方法は、強化繊維の配向を厳密に制御でき、また積層構成の設計自由度が高いことから、高性能な繊維強化複合材料を得やすい利点がある。プリプレグに用いられるマトリックス樹脂としては、耐熱性や生産性の観点から、主に熱硬化性樹脂組成物が用いられ、中でも強化繊維との接着性などの力学特性の観点からエポキシ樹脂組成物が好ましく用いられる。
 エポキシ樹脂をマトリックス樹脂として用いた繊維強化複合材料は、優れた耐熱性と良好な機械物性を示す一方で、エポキシ樹脂の伸度や靭性が熱可塑性樹脂に対して低いため、耐衝撃性が低くなることがあり、改善を求められている。
 エポキシ樹脂組成物を硬化して得られるエポキシ樹脂硬化物の靱性を向上させる方法としては、靱性に優れるゴム成分や熱可塑性樹脂を配合する方法などが試されてきた。しかし、ゴムは、弾性率やガラス転移温度がエポキシ樹脂硬化物に比べて大幅に低いため、ゴムを配合した場合、マトリックス樹脂の弾性率やガラス転移温度の低下が見られ、靱性と剛性のバランスを取ることが困難である。また、熱可塑性成分を配合する手法としては、例えばスチレン-ブタジエン-メタクリル酸メチルからなる共重合体や、ブタジエン-メタクリル酸メチルからなるブロック共重合体などのブロック共重合体を添加することにより、エポキシ樹脂硬化物の靭性を大きく向上させる方法が提案されている(特許文献1、2)。しかし、これらの方法には、エポキシ樹脂硬化物の耐熱性の低下や、エポキシ樹脂組成物の増粘によるプロセス性の悪化、ボイド発生等の品位低下といった問題があった。さらに、特許文献3には、エポキシ樹脂に対して、(メタ)アクリル系ブロック共重合体をアロイ化する手法も提案されている。本手法では、相分離構造を粗大化させることなく、微細な相構造を形成させることで、優れた靭性を与えることができるが、さらなる靭性の向上が求められている。
 エポキシ樹脂硬化物の靱性と剛性のバランスを向上させる方法としては、特定の数平均分子量を有するジグリシジルエーテル型エポキシ化合物と前記エポキシ化合物と特定の範囲で溶解度パラメータ(SP値)が異なるエポキシ化合物を組み合わせて得られるエポキシ樹脂組成物が開示されている(特許文献4)。しかし、この方法でも、エポキシ樹脂硬化物の靱性と剛性のバランスが不十分であるだけでなく、エポキシ樹脂組成物の粘度が高くなりがちであった。
 エポキシ樹脂硬化物の靱性と剛性のバランスをさらに向上させる手法として、特定のSP値を有するエポキシ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、硬化反応後に相分離構造を形成させる技術がある(特許文献5)。この方法は硬化後に微細な相分離構造を形成することで、優れたエポキシ樹脂硬化物の靱性と剛性を発現することのできる技術であり、それまでの繊維強化複合材料のマトリックス樹脂の性能を大幅に向上することのできる技術といえる。一方で、反応条件によっては相分離構造が変化することにより物性が低下してしまうという課題もあった。
国際公開第2006/077153号 特表2003-535181号公報 特開2010-100834号公報 国際公開第2009/107697号 国際公開第2010/043453号
 本発明は、靭性および剛性に優れたエポキシ樹脂硬化物および繊維強化複合材料が得られるエポキシ樹脂組成物を提供することを課題とする。
 上記課題を解決するために、本発明は以下の構成を有するものである。
(1)エポキシ化合物(A)、ブロック共重合体(B)、および硬化剤(C)を含むエポキシ樹脂組成物であって、該ブロック共重合体(B)が、(メタ)アクリル系重合体からなる重合体ブロック(a)および重合体ブロック(a)とは異なるアクリル系重合体からなる重合体ブロック(b)からなり、かつ、該エポキシ樹脂組成物を硬化して得られる樹脂硬化物がミクロ相分離構造を形成するエポキシ樹脂組成物。
(2)前記樹脂硬化物の小角X線散乱測定における一次散乱ピークの半値幅X、該ピークの極大波数Yとするとき、0<X/Y≦1.10を満たす(1)に記載のエポキシ樹脂組成物。
(3)前記樹脂硬化物のミクロ相分離構造が、ラメラ構造、ジャイロイド構造、シリンダ構造およびスフィア構造からなる群から選択されるいずれかの一つの構造である、(1)または(2)に記載のエポキシ樹脂組成物。
(4)ブロック共重合体(B)がABA型トリブロック共重合体であり、Aが前記重合体ブロック(a)、Bが前記重合体ブロック(b)である、(1)~(3)のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
(5)ブロック共重合体(B)の重量平均分子量が1万以上40万以下、分子量分布が1.50以下である、(1)~(4)のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
(6)ブロック共重合体(B)を構成する、前記重合体ブロック(a)中の(メタ)アクリル酸グリシジルの比率が50質量%以上である、(1)~(5)のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
(7)ブロック共重合体(B)を構成する、前記重合体ブロック(b)中のアクリル酸n-ブチルの比率が50質量%以上である、(1)~(6)のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
(8)前記エポキシ樹脂組成物中のブロック共重合体(B)の含有比率が10質量%以上である、(1)~(7)のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
(9)ブロック共重合体(B)中の重合体ブロック(a)の比率が5質量%以上80質量%以下である、(1)~(8)のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
(10)硬化剤(C)がポリアミン系硬化剤であり、ブロック共重合体(B)中の重合体ブロック(a)の比率が40質量%以上70質量%以下である、(9)に記載のエポキシ樹脂組成物。
(11)硬化剤(C)がジシアンジアミド系硬化剤であり、ブロック共重合体(B)中の重合体ブロック(a)の比率が5質量%以上40質量%以下である、(9)に記載のエポキシ樹脂組成物。
(12)硬化剤(C)がアニオン・カチオン重合系硬化剤であり、ブロック共重合体(B)中の重合体ブロック(a)の比率が5質量%以上30質量%以下である、(9)に記載のエポキシ樹脂組成物。
(13)(1)~(12)のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物と強化繊維を含むプリプレグ。
(14)(13)に記載のプリプレグを硬化させてなる繊維強化複合材料。
(15)(1)~(12)のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物を硬化させて得られる樹脂硬化物と、強化繊維を含む繊維強化複合材料。
 本発明のエポキシ樹脂組成物によれば、硬化して得られるエポキシ樹脂硬化物中に、高度に秩序化したミクロ相分離構造を形成することで、微細で規則正しい相分離構造を有し、優れた靭性および剛性を有するエポキシ樹脂硬化物および繊維強化複合材料が得られる。
 以下、本発明をさらに詳細に説明する。本発明のエポキシ樹脂組成物は、エポキシ化合物(A)、ブロック共重合体(B)および硬化剤(C)を必須成分として含み、硬化後に樹脂硬化物がミクロ相分離構造を形成することを特徴とする。
 エポキシ化合物(A)は、耐熱性や機械特性発現のために必要な成分である。具体的には、フェノール類、アミン類、カルボン酸、分子内不飽和炭素などの化合物を前駆体とするエポキシ樹脂が好ましい。
 フェノール類を前駆体とするグリシジルエーテル型エポキシ樹脂としては、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビスフェノールS型エポキシ樹脂、ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、レゾルシノール型エポキシ樹脂、ナフタレン骨格を有するエポキシ樹脂、トリスフェニルメタン型エポキシ樹脂、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、ジフェニルフルオレン型エポキシ樹脂およびこれらのエポキシ樹脂の異性体やアルキル置換体、ハロゲン置換体などがあげられる。また、フェノール類を前駆体とするエポキシ樹脂をウレタンやイソシアネートで変性したエポキシ樹脂なども、このタイプに含まれる。
 ビスフェノールA型エポキシ樹脂の市販品としては、“エピコート(登録商標)(以下、登録商標の表示は省略する。)”825、エピコート826、エピコート827、エピコート828、エピコート834、エピコート1001、エピコート1002、エピコート1003、エピコート1004、エピコート1004AF、エピコート1007、エピコート1009(以上ジャパンエポキシレジン(株)製)、“エピクロン(登録商標)(以下、登録商標の表示は省略する。)”850(大日本インキ化学工業(株)製)、“エポトート(登録商標)(以下、登録商標の表示は省略する。)”YD-128(東都化成(株)製)、DER-331、DER-332(ダウケミカル社製)などが挙げられる。
 ビスフェノールF型エポキシ樹脂の市販品としては、エピコート806、エピコート807、エピコート1750、エピコート4004P、エピコート4007P、エピコート4009P(以上ジャパンエポキシレジン(株)製)、エピクロン830(大日本インキ化学工業(株)製)、エポトートYD-170、エポトートYD-175、エポトートYDF2001、エポトートYDF2004(以上東都化成(株)製)などが挙げられる。また、アルキル置換体であるテトラメチルビスフェノールF型エポキシ樹脂の市販品としては、YSLV-80XY(新日鐵化学(株)製)などが挙げられる。
 ビスフェノールS型エポキシ樹脂としては、エピクロンEXA-1515(大日本インキ化学工業(株)製)などがあげられる。
 ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂の市販品としては、エピコートYX4000H、エピコートYX4000、エピコートYL6616、エピコートYL6121H、エピコートYL6640(以上、ジャパンエポキシレジン(株)製)、NC-3000(日本化薬(株)製)などが挙げられる。
 フェノールノボラック型エポキシ樹脂の市販品としては、エピコート152、エピコート154(以上ジャパンエポキシレジン(株)製)、エピクロンN-740、エピクロンN-770、エピクロンN-775(以上、大日本インキ化学工業(株)製)などが挙げられる。
 クレゾールノボラック型エポキシ樹脂の市販品としては、エピクロンN-660、エピクロンN-665、エピクロンN-670、エピクロンN-673、エピクロンN-695(以上、大日本インキ化学工業(株)製)、EOCN-1020、EOCN-102S、EOCN-104S(以上、日本化薬(株)製)などが挙げられる。
 レゾルシノール型エポキシ樹脂の市販品としては、“デナコール(登録商標)(以下、登録商標の表示は省略する。)”EX-201(ナガセケムテックス(株)製)などが挙げられる。
 ナフタレン骨格を有するエポキシ樹脂の市販品としては、エピクロンHP4032(大日本インキ化学工業(株)製)、NC-7000、NC-7300(以上、日本化薬(株)製)などが挙げられる。
 トリスフェニルメタン型エポキシ樹脂の市販品としては、TMH-574(住友化学社製)Tactix742(ハンツマン・アドバンスト・マテリアル社製)などが挙げられる。
 ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂の市販品としては、エピクロンHP7200、エピクロンHP7200L、エピクロンHP7200H(以上、大日本インキ化学工業(株)製)、Tactix558(ハンツマン・アドバンスト・マテリアル社製)、XD-1000-1L、XD-1000-2L(以上、日本化薬(株)製)などが挙げられる。
 ウレタンおよびイソシアネート変性エポキシ樹脂の市販品としては、オキサゾリドン環を有するAER4152(旭化成エポキシ(株)製)やACR1348(旭電化(株)製)などが挙げられる。
 ダイマー酸変性ビスフェノールA型エポキシ樹脂の市販品としては、エピコート872(ジャパンエポキシレジン(株)製)などが挙げられる。
 アミン類を前駆体とするグリシジルアミン型エポキシ樹脂としては、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン、キシレンジアミンのグリシジル化合物、トリグリシジルアミノフェノール、グリシジルアニリン、およびそれらの位置異性体やアルキル置換体やハロゲン置換体が挙げられる。中でも、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタンは、耐熱性に優れるため航空機構造材としての複合材料用樹脂として好ましい。一方、グリシジルアニリン類は高い弾性率が得られるため好ましい。
 テトラグリシジルジアミノジフェニルメタンの市販品としては、スミエポキシELM434(住友化学製)や、“アラルダイト(登録商標)(以下、登録商標の表示は省略する。)”MY720、アラルダイトMY721、アラルダイトMY9512、アラルダイトMY9612、アラルダイトMY9634、アラルダイトMY9663(以上ハンツマン・アドバンスト・マテリアル社製)、エピコート604(ジャパンエポキシレジン社製)などが挙げられる。
 キシレンジアミンのグリシジル化合物の市販品としては、TETRAD-X(三菱瓦斯化学社製)が挙げられる。
 トリグリシジルアミノフェノールの市販品としては、エピコート630(ジャパンエポキシレジン社製)、アラルダイトMY0500、MY0510、MY0600(以上ハンツマン・アドバンスト・マテリアル社製)、ELM100(住友化学製)などが挙げられる。
 グリシジルアニリン類の市販品としては、GAN、GOT(以上日本化薬(株)製)などが挙げられる。
 カルボン酸を前駆体とするエポキシ樹脂としては、フタル酸のグリシジル化合物、ヘキサヒドロフタル酸のグリシジル化合物、ダイマー酸のグリシジル化合物およびこれらの異性体が挙げられる。
 フタル酸ジグリシジルエステルの市販品としては、“エポミック(登録商標)(以下、登録商標の表示は省略する。)”R508(三井化学(株)製)、デナコールEX-721(ナガセケムテックス(株)製)などが挙げられる。
 ヘキサヒドロフタル酸ジグリシジルエステルの市販品としては、エポミックR540(三井化学(株)製)、AK-601(日本化薬(株)製)などが挙げられる。
 ダイマー酸ジグリシジルエステルの市販品としては、エピコート871(ジャパンエポキシレジン(株)製)や、エポトートYD-171(東都化成(株)製)などが挙げられる。
 分子内不飽和炭素を前駆体とするエポキシ樹脂としては、例えば脂環式エポキシ樹脂が挙げられる。その市販品としては、“セロキサイド(登録商標)(以下、登録商標の表示は省略する。)”2021、セロキサイド2080(以上ダイセル化学工業(株)製)、CY183(ハンツマン・アドバンスト・マテリアル社製)が挙げられる。
 また、本発明のエポキシ樹脂組成物には、組成物の粘弾性を調整して作業性を向上させる目的、または得られる樹脂硬化物の弾性率や耐熱性を向上させる目的で、エポキシ化合物(A)以外のエポキシ化合物を、本発明の効果が損なわれない範囲で添加することができる。これらは1種類だけでなく、複数種組み合わせて添加しても良い。
 硬化剤(C)としては、前記エポキシ化合物を硬化させるものであれば特に限定はないが、ポリアミン系硬化剤、ジシアンジアミド系硬化剤、アニオン・カチオン重合系硬化剤、酸無水物系硬化剤などが挙げられる。該硬化剤は、エポキシ樹脂組成物を硬化させるために必要な成分である。
 ポリアミン系硬化剤は、分子内に第一級アミノ基を複数有する硬化剤であり、第一級アミノ基中の活性水素とエポキシ化合物中のエポキシ基の付加反応によりエポキシ樹脂組成物が硬化する。具体的には、4,4’-ジアミノジフェニルメタン、4,4’-ジアミノジフェニルスルホン、3,3’-ジアミノジフェニルスルホン、m-フェニレンジアミン、m-キシリレンジアミン、ジエチルトルエンジアミンなどの芳香族アミン系硬化剤、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、イソホロンジアミン、ビス(アミノメチル)ノルボルナン、ビス(4-アミノシクロヘキシル)メタン、ポリエチレンイミンのダイマー酸エステルなどの脂肪族アミン系硬化剤が挙げられる。さらに、芳香族アミン系硬化剤および脂肪族アミン系硬化剤のように活性水素を有するアミン系硬化剤に、エポキシ化合物、アクリロニトリル、フェノールとホルムアルデヒド、チオ尿素などの化合物を反応させて得られる変性アミン系硬化剤もこの分類に含まれる。芳香族ポリアミン硬化剤の市販品としては、セイカキュアS(和歌山精化工業(株)製)、MDA-220(三井化学(株)製)、“jERキュア(登録商標)”W(三菱化学(株)製)、および3,3’-DAS(三井化学(株)製)、Lonzacure(登録商標)M-DEA(Lonza(株)製)、Lonzacure(登録商標)M-DIPA(Lonza(株)製)、Lonzacure(登録商標)M-MIPA(Lonza(株)製)およびLonzacure(登録商標)DETDA 80(Lonza(株)製)などが挙げられる。 
 硬化剤(C)として、ポリアミン系硬化剤を用いる場合、その配合量は、耐熱性や力学特性の観点から、エポキシ樹脂組成物中のエポキシ化合物(A)に対して0.5~1.5当量であることが好ましく、0.8~1.2当量であることがより好ましい。0.5当量に満たない場合、硬化反応が進行しない場合がある。1.5当量を超える場合、エポキシ樹脂組成物を硬化して得られる樹脂硬化物がミクロ相分離構造を形成しないことがあり、その結果、機械特性が低下する場合がある。ポリアミン系硬化剤を粉体として樹脂に配合することは、室温での保存安定性の観点から好ましい。 
 ジシアンジアミド系硬化剤は、4個の活性水素が、エポキシ化合物中のエポキシ基と付加反応するほか、シアノ基と開環したエポキシ基の2級水酸基との反応、シアノ基とエポキシ基がオキサゾリン環を形成する反応等によりエポキシ樹脂組成物が硬化する。ジシアンジアミド系硬化剤には、ジシアンジアミドのみでなく、エポキシ樹脂、ビニル化合物、アクリル化合物等各種化合物をジシアンジアミドと結合させたジシアンジアミド誘導体も含まれる。
 ジシアンジアミドの市販品としては、DICY-7、DICY-15(以上、ジャパンエポキシレジン(株)製)などが挙げられる。
 硬化剤(C)として、ジシアンジアミドまたはその誘導体を用いる場合、その配合量は、耐熱性や力学特性の観点から、エポキシ樹脂組成物中のエポキシ化合物(A)に対して0.3~1.5当量であることが好ましく、0.5~1.0当量であることがより好ましい。0.3当量に満たない場合、硬化反応が進行しない場合がある。1.5当量を超える場合、エポキシ樹脂組成物を硬化して得られる樹脂硬化物がミクロ相分離構造を形成しないことがあり、その結果、機械特性が低下する場合がある。ジシアンジアミドまたはその誘導体を粉体として樹脂に配合することは、室温での保存安定性の観点から好ましい。 
 硬化剤(C)としてジシアンジアミドを用いる場合、ジアンジアミド単独で用いても良いし、ジシアンジアミドの硬化触媒や、その他のエポキシ樹脂の硬化剤と組み合わせて用いても良い。ジシアンジアミドの硬化触媒としては、ウレア類、イミダゾール類、ルイス酸触媒などが挙げられる。エポキシ樹脂の硬化剤としては、芳香族アミン硬化剤や、脂環式アミン硬化剤、酸無水物硬化剤などが挙げられる。ウレア類の市販品としては、DCMU99(保土ヶ谷化学(株)製)、Omicure24、Omicure52、Omicure94(以上CVC SpecialtyChemicals,Inc.製)などが挙げられる。イミダゾール類の市販品としては、2MZ、2PZ、2E4MZ(以上、四国化成(株)製)などが挙げられる。ルイス酸触媒としては、三フッ化ホウ素・ピペリジン錯体、三フッ化ホウ素・モノエチルアミン錯体、三フッ化ホウ素・トリエタノールアミン錯体、三塩化ホウ素・オクチルアミン錯体などの、ハロゲン化ホウ素と塩基の錯体が挙げられる。硬化触媒を用いる場合、その配合量は、耐熱性や力学特性の観点から、エポキシ樹脂組成物中のエポキシ化合物(A)100質量部に対して0.5~5.0質量部であることが好ましく、1.0~3.0質量部であることがより好ましい。
 アニオン・カチオン重合系硬化剤は、硬化剤がアニオン重合・カチオン重合の触媒として働き、エポキシ化合物中のエポキシ基が自己重合することによりエポキシ樹脂組成物が硬化する。具体的には、アニオン重合系硬化剤として、2-メチルイミダゾール、1-ベンジル-2-メチルイミダゾール、2-エチル-4-メチルイミダゾール等のイミダゾールおよびその誘導体;アジピン酸ヒドラジドやナフタレンカルボン酸ヒドラジド等のカルボン酸ヒドラジド誘導体;N,N-ジメチルアニリン、N,N-ジメチルベンジルアミン、2,4,6-トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール等の3級アミンが挙げられる。カチオン重合系硬化剤としては、スルホニウム塩、アンモニウム塩、ピリジニウム塩等のオニウム塩系硬化剤や、アルミニウム錯体複合系硬化剤が挙げられる。
 アニオン・カチオン重合系硬化剤としては、硬化速度の点から、イミダゾールまたはその誘導体が好ましく用いられる。イミダゾールまたはその誘導体を用いる場合、その配合量は、耐熱性や力学特性の観点から、エポキシ樹脂組成物中のエポキシ化合物(A)100質量部に対して0.5~10質量部であることが好ましい。0.5質量部に満たない場合、硬化速度が遅くなる場合があり、また、十分に硬化反応が進行せず、機械特性に悪影響を及ぼすこともある。また、10質量部を超える場合、硬化速度は速くなるが、架橋密度が高くなりすぎることで、靭性が低下する場合がある。
 酸無水物系硬化剤は、カルボン酸無水物基を1分子中に1個以上有する硬化剤であり、エポキシ化合物中のエポキシ基とカルボン酸無水物基の重縮合反応によりエポキシ樹脂組成物が硬化する。具体的には、フタル酸無水物等の芳香環を有するが脂環式構造を持たない酸無水物;無水コハク酸等の芳香環および脂環式構造のいずれも持たない酸無水物;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、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等の脂環式構造を有する酸無水物が挙げられる。
 硬化剤(C)として、酸無水物系硬化剤を用いる場合、その配合量は、耐熱性や力学特性の観点から、エポキシ樹脂組成物中のエポキシ化合物(A)に対して0.5~1.5当量であることが好ましく、0.8~1.2当量であることがより好ましい。0.5当量に満たない場合、硬化反応が進行しない場合がある。1.5当量を超える場合、エポキシ樹脂組成物を硬化して得られる樹脂硬化物がミクロ相分離構造を形成しないことがあり、その結果、機械特性が低下する場合がある。
 本発明のエポキシ樹脂組成物を硬化する際の硬化温度や硬化時間は、特に限定されず、配合する硬化剤や触媒に応じて適宜選択できる。硬化剤または触媒として、例えば、ジアミノジフェニルスルホンを用いた場合には、180℃の温度で2時間、ジアミノジフェニルメタンを用いた場合には150℃の温度で2時間、2-エチル-4-メチルイミダゾールを用いた場合には、150℃の温度で1時間硬化させるのが好ましく、またジシアンジアミドとDCMUを用いた場合には135℃の温度で2時間硬化させるのが好ましい。
 本発明に用いるブロック共重合体(B)は、(メタ)アクリル(本明細書において、メタクリルとアクリルを総称して「(メタ)アクリル」と略記する)系重合体ブロック(a)および重合体ブロック(a)とは異なる(メタ)アクリル系重合体ブロック(b)からなる。
 重合体ブロック(a)は、アクリル酸エステルまたはメタクリル酸エステルから選ばれた単量体を重合してなるブロックであり、エポキシ樹脂組成物の硬化後に、エポキシ化合物(A)と相溶する機能を有する。
 そのため、重合体ブロック(a)中のグリシジル基を有する単量体の比率は、50質量%以上であることが好ましく、70質量%以上であることがより好ましく、90%以上であることがさらに好ましい。グリシジル基を有する単量体を重合体ブロック(a)に用いることで、エポキシ樹脂組成物を硬化させる際に、該グリシジル基がエポキシ化合物(A)のグリシジル基と同様に硬化剤(C)と反応し、エポキシ化合物(A)と重合体ブロック(a)が相溶しやすくなることで、ミクロ相分離構造を形成しやすくなる。その結果、得られた樹脂硬化物が所望の力学特性を得ることができるようになる。重合体ブロック(a)中のグリシジル基を有する単量体の比率が50質量%未満では、エポキシ化合物(A)と、ブロック共重合体(B)の相溶性が低下し、エポキシ樹脂組成物を硬化して得られる樹脂硬化物が、ミクロ相分離構造を形成しないことがあり、十分な力学物性を得ることができない場合がある。
 前記グリシジル基を有する単量体としては、例えば(メタ)アクリル酸グリシジル、2,3-エポキシ-2-メチルプロピル(メタ)アクリレート、(3,4-エポキシシクロヘキシル)メチル(メタ)アクリレートなどの(メタ)アクリル酸とエポキシ環を含有する有機基含有アルコールとのエステル、4-ビニル-1-シクロヘキセン1,2エポキシドなどのエポキシ基含有不飽和化合物などを挙げることができる。入手容易性の点から、(メタ)アクリル酸グリシジルが好ましく用いられる。
 重合体ブロック(a)は、メタクリル酸グリシジル、アクリル酸グリシジル等のグリシジル基を有する単量体の他、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸n-プロピル、メタクリル酸n-ブチル、メタクリル酸イソブチル、メタクリル酸n-ペンチル、メタクリル酸n-ヘキシル、メタクリル酸n-ヘプチル、メタクリル酸n-オクチル、メタクリル酸2-エチルヘキシル、メタクリル酸ノニル、メタクリル酸デシル、メタクリル酸ドデシル、メタクリル酸ステアリルなどのメタクリル酸アルキルエステルを含んでよい。ここで、アルキルエステルとしては、炭素数1~18のアルキルエステルが好ましい。これらはそれぞれ単独でまたは2種以上を組み合わせて用いることができる。
 重合体ブロック(b)は、重合体ブロック(a)とは異なる、アクリル系単量体を重合してなる重合体ブロックであり、エポキシ樹脂組成物の硬化後に、エポキシ化合物(A)と相分離する機能を有する。そのため、重合体ブロック(b)中のグリシジル基を有する単量体の比率が、50質量%未満であることが好ましく、グリシジル基を有する単量体を含まないことがより好ましい。
 重合体ブロック(b)に含有される単量体としては、例えば、(メタ)アクリル酸メチル、(メタ)アクリル酸エチル、(メタ)アクリル酸n-プロピル、(メタ)アクリル酸n-ブチル、(メタ)アクリル酸イソブチル、(メタ)アクリル酸n-ペンチル、(メタ)アクリル酸n-ヘキシル、(メタ)アクリル酸n-ヘプチル、(メタ)アクリル酸n-オクチル、(メタ)アクリル酸2-エチルヘキシル、(メタ)アクリル酸ノニル、(メタ)アクリル酸デシル、(メタ)アクリル酸ドデシル、(メタ)アクリル酸ステアリルなどの(メタ)アクリル酸アルキルエステルを挙げることができる。ここで、アルキルエステルとしては、炭素数1~18のアルキルエステルが好ましい。これらはそれぞれ単独または2種以上を組み合わせて用いることができる。
 重合体ブロック(b)は、エポキシ樹脂組成物の硬化物の機械特性、特に耐衝撃性および靭性向上の観点から、柔軟な重合体ブロックを形成する単量体により構成されていることがさらに好ましい。柔軟な重合体ブロックとしては、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸n-プロピル、アクリル酸n-ブチル、アクリル酸イソブチル、(メタ)アクリル酸n-ペンチル、(メタ)アクリル酸n-ヘキシル、(メタ)アクリル酸n-ヘプチル、(メタ)アクリル酸n-オクチル、(メタ)アクリル酸2-エチルヘキシル、(メタ)アクリル酸ノニル、(メタ)アクリル酸デシル、(メタ)アクリル酸ドデシル、(メタ)アクリル酸ステアリルが挙げられる。特に、重合体ブロック(b)中のアクリル酸n-ブチルの比率は、50質量%以上であることが好ましく、70質量%以上であることがより好ましく、90質量%以上であることがさらに好ましい。重合体ブロック(b)中のアクリル酸n-ブチルの比率が50質量%未満では、アクリル酸n-ブチルの柔軟性が十分に発揮されないことにより、得られた樹脂硬化物の耐衝撃性、靭性等が低くなる場合がある。
 ブロック共重合体(B)中の重合体ブロック(a)の比率は、硬化剤の種類により異なるが、ブロック共重合体(B)中の5質量%以上80質量%以下であることが好ましい。重合体ブロック(a)の比率が5質量%未満である場合、エポキシ化合物(A)との相溶性が悪くなり、硬化後に粗大相分離構造を形成することがある。また重合体ブロック(a)の比率が80質量%を上回る場合、靭性が低下することがある。
 特に、硬化剤(C)として、ポリアミン系硬化剤を用いる場合は、ブロック共重合体(B)中の重合体ブロック(a)の比率は40質量%以上70質量%以下であることがより好ましく、40質量%以上60質量%以下の範囲がより好ましい。重合体ブロック(a)の比率が40質量%未満である場合、エポキシ化合物との相溶性が悪くなり、硬化後に粗大相分離構造を形成することがある。また重合体ブロック(a)の比率が70質量%以下である場合、より良好な機械特性を有する硬化物が得られる。
 硬化剤(C)として、ジシアンジアミド系硬化剤を用いる場合は、ブロック共重合体(B)中の重合体ブロック(a)の比率は5質量%以上40質量%以下であることが好ましく、10質量%以上30質量%以下の範囲がさらに好ましい。重合体ブロック(a)の比率が5質量%未満である場合、エポキシ化合物との相溶性が悪くなり、硬化後に粗大相分離構造を形成することがある。また重合体ブロック(a)の比率が40質量%以下である場合、より良好な機械特性を有する硬化物が得られる。
 硬化剤(C)としてアニオン・カチオン重合系硬化剤を用いる場合、ブロック共重合体(B)中の重合体ブロック(a)の比率が5質量%以上30質量%以下であることが好ましく、10質量%以上20質量%以下の範囲がさらに好ましい。重合体ブロック(a)の比率が5質量%未満である場合、エポキシ化合物との相溶性が悪くなり、硬化後に粗大相分離構造を形成することがある。また重合体ブロック(a)の比率が30質量%以下である場合、より良好な機械特性を有する硬化物が得られる。
 なお、ブロック共重合体(B)中の重合体ブロック(a)の比率については、重クロロホルムを溶媒としたH-NMR測定を用いて算出することができる。
 ブロック共重合体(B)の分子形態は、線状ブロック共重合体、分岐状ブロック共重合体およびこれらの混合物のいずれであってもよいが、コスト面や重合容易性の点で、線状ブロック共重合体が好ましい。また、該線状ブロック共重合体は、いずれの構造のものであってもよいが、線状ブロック共重合体の物性、または組成物の物性の点から、トリブロック共重合体であることが特に好ましい。さらに、加工時の取扱い容易性や、組成物の物性の点から、重合体ブロック(a)をA、重合体ブロック(b)をBとしたとき、ABAで表わされるトリブロック共重合体であることが好ましい。
 ブロック共重合体(B)の重量平均分子量の下限は1万以上であることが好ましく、4万以上であることがさらに好ましい。重量平均分子量が1万を下回る場合、重合体ブロック(b)の機械特性が十分に発揮されず、靭性が低下してしまうことがある。また、ブロック共重合体(B)の重量平均分子量の上限は、40万以下であることが好ましく、20万以下であることがより好ましく、10万以下であることがさらに好ましい。重量平均分子量が40万を上回る場合、ブロック共重合体自体の取り扱い性が悪いことがあり、また、エポキシ樹脂組成物とした際に粘度が上昇することにより、成形時に問題が生じる場合がある。
 ブロック共重合体(B)は、重量平均分子量(Mw)と数平均分子量(Mn)の比である分子量分布(Mw/Mn)が1.50以下であることが好ましく、1.20以下であることがより好ましい。分子量分布が大きく、分子鎖長が揃っていない場合、分子の均一性が低下することによって、エポキシ樹脂組成物の硬化物がミクロ相分離構造を形成せず、機械特性が低下してしまうことがある。なお、重量平均分子量および分子量分布についてはゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)を用いて、ポリメタクリル酸メチルの校正用サンプルの保持時間を用いて分子量に換算して求める方法が使用できる。
 本発明のエポキシ樹脂組成物中のブロック共重合体(B)の含有比率は10質量%以上であることが好ましい。含有比率が10質量%未満ではミクロ相分離構造において前記(II)相を構成する、重合体ブロック(b)の比率が少なくなりすぎることにより、ミクロ相分離構造を形成することができない場合がある。また、エポキシ樹脂組成物中のブロック共重合体(B)の含有比率は、50質量%以下であることが好ましく、40質量%以下であることがより好ましく、30重量%以下であることがさらに好ましい。含有比率が50質量%を上回ると、エポキシ樹脂組成物とした際に、粘度が高くなりすぎことにより、樹脂の取り扱い性が悪くなる等、成形時に問題が生じる場合がある。
 本発明のエポキシ樹脂組成物は、硬化後の樹脂硬化物がミクロ相分離構造を形成していることを特徴としている。ここで、ミクロ相分離構造とは、ミクロ相分離を経て形成された相分離構造のことである。ミクロ相分離とは、2種以上の、本来は非相溶の重合体同士が共有結合で結合されたブロック共重合体が、界面積を最小にするよう、分子鎖の大きさ程度の周期的な界面を自発的に形成し、分子レベルで(I)相および(II)相に相分離する相分離様式のことである。(I)相および(II)相を構成する成分はブロック共重合体を構成する成分であるが、(I)相または(II)相に相溶する他の成分を含んでいても良い。ミクロ相分離構造は高度に秩序化していることを特徴としており、それによって、靭性および剛性のバランスに優れたエポキシ樹脂硬化物および繊維強化複合材料を得ることができる。
 本発明のエポキシ樹脂組成物は、エポキシ化合物(A)、ブロック共重合体(B)および硬化剤(C)が、硬化反応前には相溶しており、硬化反応後に(I)相および(II)相にミクロ相分離することが好ましい。硬化後、(I)相は、好ましくはエポキシ化合物(A)の硬化物およびブロック共重合体(B)を構成する重合体ブロック(a)が相溶した相から構成されており、(II)相は、好ましくはブロック共重合体(B)を構成する重合体ブロック(b)から構成されている。
 ミクロ相分離構造の秩序性は、例えば小角X線散乱測定や中性子散乱測定をはじめとする、散乱測定によって確認することができる。散乱測定において、相構造に由来する散乱強度の角度分布プロファイルのピークが狭ければ狭いほど、秩序化していると言える。
 本発明のエポキシ樹脂組成物を硬化して得られる硬化物のミクロ相分離構造は、小角X線散乱測定の散乱強度の角度分布プロファイルによって確認することができる。小角X線散乱測定において、ミクロ相分離構造に由来する一次散乱ピークの半値幅をX、該ピークの極大波数をYとするとき、0<X/Y≦1.10を満たすことが好ましく、0<X/Y≦1.05であることがより好ましい。X/Yが0に近づくほど、より良好な機械特性が有するエポキシ樹脂硬化物が得られるが、0.80≦X/Y≦1.10、あるいは1.00≦X/Y≦1.10でも十分な機械特性を得ることが可能である。1.1<X/Yの場合、ピークが広く、ミクロ相分離構造を形成しておらず、良好な機械特性を有するエポキシ樹脂硬化物を得ることができない。
 さらに、本発明のエポキシ樹脂組成物の硬化物の小角X線散乱測定において、ミクロ相分離構造に由来する二次以上の散乱ピークが検出されることが好ましい。二次以上の散乱ピークを検出するということは、相分離構造が非常に高度に秩序化していることを表している。
 ミクロ相分離構造には、一般に大きく分けて、ラメラ構造、ジャイロイド構造、シリンダ構造、スフィア構造が挙げられる。本発明のエポキシ樹脂組成物の硬化物のミクロ相分離構造は、これらからなる群から選択されるいずれかの構造であることが好ましい。
 ミクロ相分離構造を確認する手法としては、透過型電子顕微鏡観察または樹脂硬化物断面の走査型電子顕微鏡観察が挙げられる。観察の際は必要に応じて、測定試料をオスミウムなどで染色しても良い。染色は、通常の方法で行うことができる。
 また、小角X線散乱測定において、二次以上の散乱ピークが検出される系においては、n次の散乱ピークの散乱ベクトルの値をqとした際、q/qの値から、該樹脂硬化物のミクロ相分離構造の形態を推測することができる。q/qの値が1、2、3・・・の場合はラメラ構造、1、30.5、2、70.5・・・の場合はシリンダ構造、1、20.5、30.5・・・の場合はスフィア構造と推測することができる。
 エポキシ樹脂組成物の硬化物が形成するミクロ相分離構造の構造周期は10nm以上であることが好ましく、20nm以上であることがさらに好ましい。構造周期が10nm未満では、相溶状態との差異がわかりにくく、ミクロ相分離構造による効果を発揮できない場合がある。また、構造周期は200nm以下であることが好ましく、150nm以下であることがより好ましく、100nm以下であることがさらに好ましい。構造周期が200nmを超えると、相分離構造が大きくなりすぎることにより、優れた物性を発現しにくくなる。
 このようなミクロ相分離構造の構造周期は、前記小角X線散乱測定や透過型電子顕微鏡観察、走査型電子顕微鏡観察により測定することができる。小角X線散乱測定の場合、得られた散乱ピークの与える散乱角θおよび散乱光の散乱体内での波長λを用いて、Λ=(λ/2)/sin(θ/2)で、構造周期Λを求めることができる。また、電子顕微鏡観察では、得られた電子顕微鏡写真の画像を2次元フーリエ変換し、その円環平均を取得することで、波数(k)-強度スペクトルを得、そのピークからΛ=1/kで構造周期Λを求めることができる。
 また、本発明のエポキシ樹脂組成物には本発明の目的を損なわない範囲で、エポキシ化合物に可溶性の熱可塑性樹脂や、ゴム粒子および熱可塑性樹脂粒子等の有機粒子等を配合することができる。
 エポキシ化合物に可溶性の熱可塑性樹脂としては、エポキシ樹脂組成物と強化繊維との接着性改善効果が期待できる水素結合性の官能基を有する熱可塑性樹脂が好ましく用いられる。水素結合性官能基としては、アルコール性水酸基、アミド結合、スルホニル基、カルボキシル基などを挙げることができる。
 アルコール性水酸基を有する熱可塑性樹脂としては、ポリビニルホルマールやポリビニルブチラールなどのポリビニルアセタール樹脂、ポリビニルアルコール、フェノキシ樹脂などを挙げることができる。アミド結合を有する熱可塑性樹脂としては、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリビニルピロリドンなどを挙げることができる。スルホニル基を有する熱可塑性樹脂としては、ポリスルホンなどを挙げることができる。ポリアミド、ポリイミドおよびポリスルホンは主鎖にエーテル結合、カルボニル基などの官能基を有してもよい。ポリアミドは、アミド基の窒素原子に置換基を有してもよい。カルボキシル基を有する熱可塑性樹脂としては、ポリエステル、ポリアミド、ポリアミドイミドなどを挙げることができる。
 エポキシ化合物に可溶で、水素結合性官能基を有する熱可塑性樹脂の市販品としては、ポリビニルアセタール樹脂としてデンカブチラール、およびポリビニルアルコール樹脂として“デンカポバール(登録商標)”(電気化学工業(株)製)、“ビニレック(登録商標)”(チッソ(株)製)、ポリアミド樹脂として“マクロメルト(登録商標)”(ヘンケル株式会社製)、“アミラン(登録商標)”CM4000(東レ株式会社製)、ポリイミドとして“ウルテム(登録商標)”(サビックイノベーティブプラスチックス社製)、“オーラム(登録商標)”(三井化学(株)製)、“ベスペル(登録商標)”(デュポン社製)PEEKポリマーとして“Victrex(登録商標)”(ビクトレックス社製)、ポリスルホンとして“UDEL(登録商標)”(ソルベイ アドバンストポリマーズ社製)、ポリビニルピロリドンとして、“ルビスコール(登録商標)”(ビーエーエスエフジャパン(株)製)を挙げることができる。
 また、アクリル系樹脂は、エポキシ樹脂との高い相溶性を有し、粘弾性制御のために好ましく用いられる。アクリル樹脂の市販品としては、“ダイヤナール(登録商標)”BRシリーズ(三菱レイヨン(株)製)、“マツモトマイクロスフェアー(登録商標)”M、M100、M500(松本油脂製薬(株)製)などを挙げることができる。
 ゴム粒子としては、架橋ゴム粒子、および架橋ゴム粒子の表面に異種ポリマーをグラフト重合したコアシェルゴム粒子が、取り扱い性等の観点から好ましく用いられる。
 コアシェルゴム粒子の市販品としては、例えば、ブタジエン・メタクリル酸アルキル・スチレン共重合物からなる“パラロイド(登録商標)”EXL-2655、EXL-2611、EXL-3387(ロームアンドハーズ(株)製)、アクリル酸エステル・メタクリル酸エステル共重合体からなる“スタフィロイド(登録商標)”AC-3355、TR-2122(ガンツ(株)製)、“NANOSTRENGTH(登録商標)”M22、51、52、53(アルケマ社製)、“カネエース(登録商標)”MXシリーズ(カネカ(株)製)等を使用することができる。
 熱可塑性樹脂粒子としては、ポリアミド粒子やポリイミド粒子が好ましく用いられる。ポリアミド粒子の市販品として、SP-500(東レ(株)製)、“オルガゾル(登録商標)”(アルケマ社製)等を使用することができる。
 なお、本発明のエポキシ樹脂組成物には、本発明の目的を損なわない範囲でさらに他の各種の添加剤を添加することもできる。これら他の添加剤としては、例えば、タルク、カオリン、マイカ、クレー、ベントナイト、セリサイト、塩基性炭酸マグネシウム、水酸化アルミニウム、ガラスフレーク、ガラス繊維、炭素繊維、アスベスト繊維、岩綿、炭酸カルシウム、ケイ砂、ワラステナイト、硫酸バリウム、ガラスビーズ、酸化チタンなどの強化材もしくは非板状充填材;あるいは酸化防止剤(リン系、硫黄系など);紫外線吸収剤;熱安定剤(ヒンダードフェノール系など);滑剤;離型剤;帯電防止剤;ブロッキング防止剤;染料および顔料を含む着色剤;難燃剤(ハロゲン系、リン系など);難燃助剤(三酸化アンチモンに代表されるアンチモン化合物、酸化ジルコニウム、酸化モリブデンなど);発泡剤;カップリング剤(エポキシ基、アミノ基メルカプト基、ビニル基、イソシアネート基を一種以上含むシランカップリング剤やチタンカップリング剤);抗菌剤等が挙げられる。
 また、本発明のエポキシ樹脂組成物と強化繊維を複合することでプリプレグを得ることができる。
 本発明に用いられる強化繊維は、特に限定されるものではなく、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、炭化ケイ素繊維等が用いられる。これらの繊維を2種以上混合して用いても構わない。この中で、軽量かつ高剛性な繊維強化複合材料が得られる炭素繊維を用いることが好ましい。中でも、230~800GPaの引張弾性率を有する炭素繊維が好ましく用いられる。このような高弾性率の炭素繊維を本発明のエポキシ樹脂組成物と組み合わせた場合に、本発明の効果が特に顕著に現れ、良好な対衝撃性を得られる傾向がある。
 強化繊維の形態は、特に限定されず、たとえば、一方向に引き揃えた長繊維、トウ、織物、マット、ニット、組み紐、短繊維などが用いられる。ここでいう長繊維とは、実質的に10mm以上連続な単繊維もしくは繊維束のことをさす。また、短繊維とは10mm未満の長さに切断された繊維束である。特に、高い比強度および比弾性率を要求される用途には、強化繊維束を単一方向に引き揃えた配列が最も適している。
 プリプレグは、エポキシ樹脂組成物を強化繊維に含浸させることにより製造することができる。含浸させる方法としては、ウェット法とホットメルト法(ドライ法)等を挙げることができる。
 ウェット法は、メチルエチルケトン、メタノール等の溶媒にエポキシ樹脂組成物を溶解させた溶液に強化繊維を浸漬した後、強化繊維を引き上げ、オーブン等を用いて強化繊維から溶媒を蒸発させ、エポキシ樹脂組成物を強化繊維に含浸させる方法である。ホットメルト法は、加熱により低粘度化したエポキシ樹脂組成物を直接強化繊維に含浸させる方法、または離型紙等の上にエポキシ樹脂組成物をコーティングしたフィルムを作製しておき、次いで強化繊維の両側または片側から前記フィルムを重ね、加熱加圧することにより強化繊維に樹脂を含浸させる方法である。なかでもプリプレグ中に残留する溶媒がないため、ホットメルト法を用いることが好ましい。
 プリプレグの単位面積あたりの強化繊維量は、70~200g/mであることが好ましい。かかる強化繊維量が70g/m未満の場合、繊維強化複合材料成形の際に所定の厚みを得るために積層枚数を多くする必要があり、積層作業が繁雑になることがある。一方で、強化繊維量が200g/mを超える場合、プリプレグのドレープ性が悪くなる傾向にある。また、プリプレグ中の繊維含有率は、好ましくは60~90質量%であり、より好ましくは65~85質量%であり、さらに好ましくは70~80質量%である。繊維含有率が60質量%未満では、樹脂の比率が多すぎるため、比強度と比弾性率に優れる繊維強化複合材料の利点が得られないことや、エポキシ樹脂組成物の硬化時の発熱量が高くなりすぎることがある。また、繊維含有率が90質量%を超える場合、樹脂の含浸不良を生じるため、得られる繊維強化複合材料はボイドの多いものとなる恐れがある。
 上記のプリプレグを硬化させることで繊維強化複合材料を得ることができる。また、プリプレグのような中間体を経由せずに、本発明のエポキシ樹脂組成物を強化繊維と複合して硬化させることによっても、繊維強化複合材料を得ることができる。
 繊維強化複合材料の製造方法は、特に限定されるものではないが、プリプレグ積層成形法、レジントランスファーモールディング法、レジンフィルムインフュージョン法、ハンドレイアップ法、シートモールディングコンパウンド法、フィラメントワインディング法、プルトルージョン法、などを用いることができる。
 レジントランスファーモールディング法とは、強化繊維基材に直接液状のエポキシ樹脂組成物を含浸させ、硬化させる方法である。この方法は、プリプレグのような中間体を経由しないため、成形コスト低減のポテンシャルを有し、宇宙機、航空機、鉄道車両、自動車、船舶などの構造材料に好適に用いることができる。
 フィラメントワインディング法とは、ロービングを1~数十本引き揃え、エポキシ樹脂組成物を含浸させながら、テンションを掛けて、回転する金型(マンドレル)に所定の厚さになるまで、所定の角度で巻き付け、エポキシ樹脂組成物の硬化後脱型する方法である。
 プルトルージョン法は、強化繊維を液状のエポキシ樹脂組成物の満たされた含浸槽に連続的に通して、エポキシ樹脂組成物を含浸させた強化繊維を、スクイーズダイおよび、加熱金型を通して引張機によって連続的に引き抜きつつ、成形、硬化させる成形方法である。この方法は、繊維強化複合材料を連続的に成形できるという利点を有するため、釣竿、ロッド、パイプ、シート、アンテナ、建築構造物等の強化繊維プラスチック(FRP)の製造に用いられている。
 プリプレグ積層成形法とは、プリプレグを賦形および/または積層後、賦形物および/または積層物に圧力を付与しながら、エポキシ樹脂組成物を加熱硬化させる方法である。
 プリプレグ積層成形法において、熱および圧力を付与する方法としては、プレス成形法、オートクレーブ成形法、バッギング成形法、ラッピングテープ法、内圧成形法等を適宜使用することができる。
 オートクレーブ成形法は、所定の形状のツール版にプリプレグを積層して、バッギングフィルムで覆い、積層物内を脱気しながら加圧加熱硬化させる方法である。本方法は、繊維配向が精密に制御でき、またボイドの発生が少ないため、力学特性に優れ、また高品位な成形体が得られる。成形時に掛ける圧力は3~20kg/cmが好ましい。また、成形温度は90~200℃の範囲であることが好ましい。
 ラッピングテープ法は、マンドレル等の芯金にプリプレグを捲回して、繊維強化複合材料製の管状体を成形する方法である。本方法は、ゴルフシャフト、釣り竿等の棒状体を作製する際に好ましい方法である。より具体的には、マンドレルにプリプレグを捲回し、プリプレグの固定および圧力付与のため、捲回したプリプレグの外側に熱可塑性フィルムからなるラッピングテープを捲回し、プリプレグに張力を加える。それらをオーブン中で樹脂を加熱硬化させた後、マンドレルを抜き取って管状体を得る方法である。ラッピングテープによりプリプレグにかかる張力は2.0~8.0kgfであることが好ましい。また成形温度は80~200℃の範囲であることが好ましい。
 また、内圧成形法は、熱可塑性樹脂製のチューブ等の内圧付与体にプリプレグを捲回したプリフォームを金型中にセットし、次いで内圧付与体に高圧の気体を導入して圧力を付与すると同時に金型を加熱せしめ、成形する方法である。本方法は、ゴルフシャフト、バッド、テニスやバドミントン等のラケットの如き複雑な形状物を成形する際に好ましく用いられる。成形時に付与する圧力は5~20kg/cmが好ましい。また成形温度は室温~200℃の範囲であることが好ましく、80~180℃の範囲であることがさらに好ましい。
 これらの方法の中でもプリプレグ積層成形法が、得られる繊維強化複合材料の剛性および強度に優れているため好ましい。
 本発明のエポキシ樹脂組成物の硬化物をマトリックス樹脂として用いた繊維強化複合材料は、スポーツ用途、一般産業用途および航空宇宙用途に好ましくに用いられる。より具体的には、スポーツ用途では、ゴルフシャフト、釣り竿、テニスやバドミントンのラケット用途、ホッケー等のスティック用途、およびスキーポール用途などに好ましく用いられる。さらに一般産業用途では、自動車、自転車、船舶および鉄道車両等の移動体の構造材、ドライブシャフト、板バネ、風車ブレード、圧力容器、フライホイール、製紙用ローラ、屋根材、ケーブル、および補修補強材料等に好ましく用いられる。
 以下、実施例により、本発明のエポキシ樹脂組成物についてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例によって限定されるものではない。各実施例のエポキシ樹脂組成物を得るために下記の樹脂原料を用いた。
 <エポキシ化合物>
・ビスフェノールA型エポキシ化合物(YD-128、エポキシ当量:189、新日鐵化学(株)製)。
・トリグリシジル-p-アミノフェノール(“jER(登録商標)”630、エポキシ当量97.5、三菱化学(株)製)
・ビスフェノールA型エポキシ樹脂(“jER(登録商標)”1004、エポキシ当量975、三菱化学(株)製)。
 <ブロック共重合体の重合>
・アクリル酸n-ブチル(シグマ・アルドリッチ製)
・メタクリル酸グリシジル(関東化学製)
・臭化銅(I)(関東化学製)
・塩化銅(I)(関東化学製)
・N,N,N’,N”,N”-ペンタメチルジエチレントリアミン(シグマ・アルドリッチ製)
・ジメチル2,6-ジブロモヘプタンジオエート(シグマ・アルドリッチ製)
・ジフェニルエーテル(シグマ・アルドリッチ製)
・キシレン(関東化学製)。
 <硬化剤>
・4-メチル-2-エチルイミダゾール(和光純薬工業製)
・ジシアンジアミド(DICY7、三菱化学製)。
・3,3’-ジアミノジフェニルスルホン
 <硬化促進剤>
・3-(3,4-ジクロロフェニル)-1,1-ジメチルウレア(DCMU99、保土ヶ谷化学工業製)。
 樹脂の調製および各種物性の測定は次の方法によった。なお、物性測定に関しては、特に断りのない限り、温度23℃、相対湿度50%の環境で測定した。
 (1)ブロック共重合体の合成
 下記合成例の通り重合体の合成を行った。なお、得られたブロック共重合体は、前記重合体ブロック(a)をA、前記重合体ブロック(b)をBとしたとき、いずれもABA型トリブロック共重合体であり、重合体ブロック(a)中のメタクリル酸グリシジルの比率は100質量%であり、重合体ブロック(b)中のアクリル酸ブチルの比率も100質量%であった。
 (合成例1)
 アクリル酸n-ブチル95g、N,N,N’,N”,N”-ペンタメチルジエチレントリアミン0.45g、およびキシレン10gをフラスコに投入し、20分間窒素バブリングを行い、臭化第一銅0.37gを加えた。ここに、窒素バブリングを行ったアクリルn-ブチル酸5g、およびジメチル-2,6-ジブロモヘプタンジオエート0.9gを加え、85℃の水浴中で重合を開始した。120分経過後、得られた重合溶液を氷水で冷却し、アセトンで薄めて反応を終了させた。溶液にアルミナを加えて攪拌して上澄みを分取する作業を3回繰り返して、溶液中の金属成分を除去した。さらにエバポレーターを用いて、溶液を100℃で1時間減圧加熱し、溶媒および残存単量体を除去することにより、アクリル酸n-ブチル重合体(PBA1)を得た。以下の(3)に示すとおりにGPCを用いて得られたポリマーの分子量測定を行ったところ、重量平均分子量49,000、分子量分布1.28であった。
 (合成例2)
 アクリル酸n-ブチル95g、およびN,N,N’,N”,N”-ペンタメチルジエチレントリアミン0.34gをフラスコに投入し、20分間窒素バブリングを行い、臭化第一銅0.28gを加えた。ここに、窒素バブリングを行ったアクリルn-ブチル酸5g、およびジメチル-2,6-ジブロモヘプタンジオエート0.68gを加え、80℃の水浴中で重合を開始した。180分経過後、得られた重合溶液を氷水で冷却し、アセトンで薄めて反応を終了させた。溶液にアルミナを加えて攪拌して上澄みを分取する作業を3回繰り返して、溶液中の金属成分を除去した。さらにエバポレーターを用いて、溶液を100℃で1時間減圧加熱し、溶媒および残存単量体を除去することにより、アクリル酸n-ブチル重合体(PBA2)を得た。以下の(3)に示すとおりにGPCを用いて得られたポリマーの分子量測定を行ったところ、重量平均分子量75,200、分子量分布1.23であった。
 (合成例3)
 フラスコ内に合成例2で作製したPBA2を80g、N,N,N’,N”,N”-ペンタメチルジエチレントリアミン0.27g、およびアクリル酸n-ブチル100gを加えて攪拌し、30分間窒素バブリングを行った。均一に混合した溶液に塩化銅(I)0.23gを加え、80℃水浴内で重合を開始した。210分経過後、得られた重合溶液を氷水で冷却し、アセトンで薄めて反応を終了させた。溶液にアルミナを加えて攪拌して上澄みを分取する作業を3回繰り返して、溶液中の金属成分を除去した。さらにエバポレーターを用いて、溶液を100℃で1時間減圧加熱し、溶媒および残存単量体を除去することにより、アクリル酸n-ブチル重合体(PBA3)を得た。以下の(3)に示すとおりにGPCを用いて得られたポリマーの分子量測定を行ったところ、重量平均分子量127,500、分子量分布1.28であった。
 (合成例4)
 アクリル酸n-ブチル75g、およびN,N,N’,N”,N”-ペンタメチルジエチレントリアミン1.09gをフラスコに投入し、20分間窒素バブリングを行い、臭化第一銅0.89gを加えた。ここに、窒素バブリングを行ったアクリルn-ブチル酸5g、およびジメチル-2,6-ジブロモヘプタンジオエート2.16gを加え、80℃の水浴中で重合を開始した。120分経過後、得られた重合溶液を氷水で冷却し、アセトンで薄めて反応を終了させた。溶液にアルミナを加えて攪拌して上澄みを分取する作業を3回繰り返して、溶液中の金属成分を除去した。さらにエバポレーターを用いて、溶液を100℃で1時間減圧加熱し、溶媒および残存単量体を除去することにより、アクリル酸n-ブチル重合体(PBA4)を得た。以下の(3)に示すとおりにGPCを用いて得られたポリマーの分子量測定を行ったところ、重量平均分子量19,400、分子量分布1.26であった。
 (合成例5)
 アクリル酸n-ブチル75g、およびN,N,N’,N”,N”-ペンタメチルジエチレントリアミン2.17gをフラスコに投入し、20分間窒素バブリングを行い、臭化第一銅1.79gを加えた。ここに、窒素バブリングを行ったアクリルn-ブチル酸5g、およびジメチル-2,6-ジブロモヘプタンジオエート4.33gを加え、80℃の水浴中で重合を開始した。60分経過後、得られた重合溶液を氷水で冷却し、アセトンで薄めて反応を終了させた。溶液にアルミナを加えて攪拌して上澄みを分取する作業を3回繰り返して、溶液中の金属成分を除去した。さらにエバポレーターを用いて、溶液を100℃で1時間減圧加熱し、溶媒および残存単量体を除去することにより、アクリル酸n-ブチル重合体(PBA5)を得た。以下の(3)に示すとおりにGPCを用いて得られたポリマーの分子量測定を行ったところ、重量平均分子量9,500、分子量分布1.22であった。
 (合成例6)
 フラスコ内に合成例1で作製したPBA1を15g、N,N,N’,N”,N”-ペンタメチルジエチレントリアミン0.06g、ジフェニルエーテル20g、およびメタクリル酸グリシジル5gを加えて攪拌し、10分間窒素バブリングを行った。均一に混合した溶液に塩化銅(I)0.035gを加え、50℃水浴内で重合を開始した。30分経過後、重合溶液をメタノール中に滴下し、重合体の沈殿物を得た後、沈殿物をメタノールで洗浄した。得られた沈殿物をアセトンに溶解させ、活性アルミナカラムを通して金属成分を除去した。その後、ロータリーエバポレーターを用いて、常温・減圧下で溶液からアセトンを除去し、真空乾燥させることにより、ブロック共重合体(BCP1)を得た。以下の(3)に示すとおりにGPCを用いて得られたポリマーの分子量測定を行ったところ、重量平均分子量61,900、分子量分布1.27であった。以下の(4)に示すとおりにNMRを用いてメタクリル酸グリシジル重合体の比率を算出したところ、共重合体全体に対するメタクリル酸グリシジル重合体の割合は10質量%であった。
 (合成例7)
 重合時間を60分とした以外は合成例6と同様にして、ブロック共重合体(BCP2)を得た。以下の(3)に示すとおりにGPCを用いて得られたポリマーの分子量測定を行ったところ、重量平均分子量68,900、分子量分布1.32であった。以下の(4)に示すとおりにNMRを用いてメタクリル酸グリシジル重合体の比率を算出したところ、共重合体全体に対するメタクリル酸グリシジル重合体の割合は20質量%であった。
 (合成例8)
 ジフェニルエーテルを60g、重合時間を180分とした以外は合成例6と同様にして、ブロック共重合体(BCP3)を得た。以下の(3)に示すとおりにGPCを用いて得られたポリマーの分子量測定を行ったところ、重量平均分子量75,500、分子量分布1.32であった。以下の(4)に示すとおりにNMRを用いてメタクリル酸グリシジル重合体の比率を算出したところ、共重合体全体に対するメタクリル酸グリシジル重合体の割合は30質量%であった。
 (合成例9)
 重合時間を10分とした以外は合成例6と同様にして、ブロック共重合体(BCP4)を得た。以下の(3)に示すとおりにGPCを用いて得られたポリマーの分子量測定を行ったところ、重量平均分子量57,000、分子量分布1.20であった。以下の(4)に示すとおりにNMRを用いてメタクリル酸グリシジル重合体の比率を算出したところ、共重合体全体に対するメタクリル酸グリシジル重合体の割合は3質量%であった。
 (合成例10)
 フラスコ内に合成例2で作製したPBA2を22g、N,N,N’,N”,N”-ペンタメチルジエチレントリアミン0.06g、ジフェニルエーテル60g、およびメタクリル酸グリシジル20gを加えて攪拌し、30分間窒素バブリングを行った。均一に混合した溶液に塩化銅(I)0.035gを加え、50℃水浴内で重合を開始した。45分経過後、重合溶液をメタノール中に滴下し、重合体の沈殿物を得た後、沈殿物をメタノールで洗浄した。得られた沈殿物をアセトンに溶解させ、活性アルミナカラムを通して金属成分を除去した。その後、ロータリーエバポレーターを用いて、常温・減圧下で溶液からアセトンを除去し、真空乾燥させることにより、ブロック共重合体(BCP5)を得た。以下の(3)に示すとおりにGPCを用いて得られたポリマーの分子量測定を行ったところ、重量平均分子量87、200、分子量分布1.30であった。以下の(4)に示すとおりにNMRを用いてメタクリル酸グリシジル重合体の比率を算出したところ、共重合体全体に対するメタクリル酸グリシジル重合体の割合は13質量%であった。
 (合成例11)
 重合時間を30分とした以外は合成例10と同様にして、ブロック共重合体(BCP6)を得た。以下の(3)に示すとおりにGPCを用いて得られたポリマーの分子量測定を行ったところ、重量平均分子量83、500、分子量分布1.32であった。以下の(4)に示すとおりにNMRを用いてメタクリル酸グリシジル重合体の比率を算出したところ、共重合体全体に対するメタクリル酸グリシジル重合体の割合は9質量%であった。
 (合成例12)
 フラスコ内に合成例3で作製したPBA3を26g、N,N,N’,N”,N”-ペンタメチルジエチレントリアミン0.05g、ジフェニルエーテル90g、およびメタクリル酸グリシジル15gを加えて攪拌し、30分間窒素バブリングを行った。均一に混合した溶液に塩化銅(I)0.029gを加え、50℃水浴内で重合を開始した。150分経過後、重合溶液をメタノール中に滴下し、重合体の沈殿物を得た後、沈殿物をメタノールで洗浄した。得られた沈殿物をアセトンに溶解させ、活性アルミナカラムを通して金属成分を除去した。その後、ロータリーエバポレーターを用いて、常温・減圧下で溶液からアセトンを除去し、真空乾燥させることにより、ブロック共重合体(BCP7)を得た。以下の(3)に示すとおりにGPCを用いて得られたポリマーの分子量測定を行ったところ、重量平均分子量157,500、分子量分布1.49であった。以下の(4)に示すとおりにNMRを用いてメタクリル酸グリシジル重合体の比率を算出したところ、共重合体全体に対するメタクリル酸グリシジル重合体の割合は15質量%であった。
 (合成例13)
 重合時間を60分とした以外は合成例12と同様にして、ブロック共重合体(BCP8)を得た。以下の(3)に示すとおりにGPCを用いて得られたポリマーの分子量測定を行ったところ、重量平均分子量130,200、分子量分布1.33であった。以下の(4)に示すとおりにNMRを用いてメタクリル酸グリシジル重合体の比率を算出したところ、共重合体全体に対するメタクリル酸グリシジル重合体の割合は4質量%であった。
 (合成例14)
 フラスコ内に合成例4で作製したPBA4を16g、N,N,N’,N”,N”-ペンタメチルジエチレントリアミン0.20g、ジフェニルエーテル50g、およびメタクリル酸グリシジル50gを加えて攪拌し、30分間窒素バブリングを行った。均一に混合した溶液に塩化銅(I)0.11gを加え、50℃水浴内で重合を開始した。30分経過後、重合溶液をメタノール中に滴下し、重合体の沈殿物を得た後、沈殿物をメタノールで洗浄した。得られた沈殿物をアセトンに溶解させ、活性アルミナカラムを通して金属成分を除去した。その後、ロータリーエバポレーターを用いて、常温・減圧下で溶液からアセトンを除去し、真空乾燥させることにより、ブロック共重合体(BCP9)を得た。以下の(3)に示すとおりにGPCを用いて得られたポリマーの分子量測定を行ったところ、重量平均分子量60,500、分子量分布1.46であった。以下の(4)に示すとおりにNMRを用いてメタクリル酸グリシジル重合体の比率を算出したところ、共重合体全体に対するメタクリル酸グリシジル重合体の割合は66質量%であった。
 (合成例15)
 フラスコ内に合成例4で作製したPBA4を19g、N,N,N’,N”,N”-ペンタメチルジエチレントリアミン0.24g、ジフェニルエーテル50g、およびメタクリル酸グリシジル20gを加えて攪拌し、30分間窒素バブリングを行った。均一に混合した溶液に塩化銅(I)0.14gを加え、50℃水浴内で重合を開始した。30分経過後、重合溶液をメタノール中に滴下し、重合体の沈殿物を得た後、沈殿物をメタノールで洗浄した。得られた沈殿物をアセトンに溶解させ、活性アルミナカラムを通して金属成分を除去した。その後、ロータリーエバポレーターを用いて、常温・減圧下で溶液からアセトンを除去し、真空乾燥させることにより、ブロック共重合体(BCP10)を得た。以下の(3)に示すとおりにGPCを用いて得られたポリマーの分子量測定を行ったところ、重量平均分子量40,800、分子量分布1.48であった。以下の(4)に示すとおりにNMRを用いてメタクリル酸グリシジル重合体の比率を算出したところ、共重合体全体に対するメタクリル酸グリシジル重合体の割合は47質量%であった。
 (合成例16)
 フラスコ内に合成例4で作製したPBA5を14g、N,N,N’,N”,N”-ペンタメチルジエチレントリアミン0.36g、ジフェニルエーテル60g、およびメタクリル酸グリシジル30gを加えて攪拌し、30分間窒素バブリングを行った。均一に混合した溶液に塩化銅(I)0.20gを加え、50℃水浴内で重合を開始した。30分経過後、重合溶液をメタノール中に滴下し、重合体の沈殿物を得た後、沈殿物をメタノールで洗浄した。得られた沈殿物をアセトンに溶解させ、活性アルミナカラムを通して金属成分を除去した。その後、ロータリーエバポレーターを用いて、常温・減圧下で溶液からアセトンを除去し、真空乾燥させることにより、ブロック共重合体(BCP11)を得た。以下の(3)に示すとおりにGPCを用いて得られたポリマーの分子量測定を行ったところ、重量平均分子量33,200、分子量分布1.44であった。以下の(4)に示すとおりにNMRを用いてメタクリル酸グリシジル重合体の比率を算出したところ、共重合体全体に対するメタクリル酸グリシジル重合体の割合は66質量%であった。
 (2)エポキシ樹脂組成物の作製
 (作製例1)
 エポキシ化合物に対して、前記合成例で作製したブロック共重合体、および硬化剤として、所定量の4-メチル-2-エチルイミダゾールを加え、相溶状態となるまで混合し、エポキシ樹脂組成物を作製した。
 (作製例2)
 エポキシ化合物に対して、前記合成例で作製したブロック共重合体を加え、相溶状態とし、さらに硬化剤として、所定量のジシアンジアミドおよび3-(3,4-ジクロロフェニル)-1,1-ジメチルウレアを加え、エポキシ樹脂組成物を作製した。
 (作製例3)
 エポキシ化合物に対して、前記合成例で作製したブロック共重合体を加え、相溶状態とし、さらに硬化剤として、所定量の4,4’-ジアミノジフェニルスルホンを加え、エポキシ樹脂組成物を作製した。
 (3)エポキシ樹脂組成物の硬化物の作製
 (作製例4)
 作製例1で作製したエポキシ樹脂組成物を150℃に加熱した熱風オーブン中で1時間加熱し、硬化物を得た。
 (作製例5)
 作製例2で作製したエポキシ樹脂組成物を熱風オーブン内で室温から2℃/分で昇温し、135℃で2時間加熱し、硬化物を得た。
 (作製例6)
 作製例3で作製したエポキシ樹脂組成物を熱風オーブン内で室温から2℃/分で昇温し、180℃で2時間加熱し、硬化物を得た。
 (4)重量平均分子量、分子量分布測定
 重量平均分子量および分子量分布については、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)を用いて算出した。重量平均分子量および分子量分布の測定は、島津製GPCシステム(LC-20AD,CBM-20A,RID-10A,SPD-M20A,CTO-20A,SIL-20AHT、DGU-20A)を用い、溶媒としてテトラヒドロフラン、カラムに、“Shodex(登録商標)”80M(昭和電工製)2本と、“Shodex(登録商標)”802(昭和電工製)1本を用い、検出器としてはRI(示差屈折率)検出器を用いた。サンプルを0.3μL注入し、流速1mL/minで測定したサンプルの保持時間を、ポリメチルメタクリル酸の校正用サンプルの保持時間を用いて分子量に換算して求めた。さらに、得られた数平均分子量(Mn)および重量平均分子量(Mw)から、分子量分布(Mn/Mw)を求めた。
 (5)重合体ブロックの比率測定
 共重合体全体に対する各重合体ブロックの比率は、重クロロホルムを溶媒としたH-NMR測定を用いて算出した。例えば、メタクリル酸グリシジル重合体とアクリル酸n-ブチル重合体からなるブロック共重合体の場合、メタクリル酸グリシジル重合体のグリシジル基由来のピーク面積およびアクリル酸ブチル重合体のアルキル基由来のピーク面積の比率からメタクリル酸グリシジル重合体の比率(質量基準)を算出した。
 (6)硬化物の小角X線散乱測定
 作製したエポキシ樹脂組成物を“テフロン(登録商標)”製スペーサーにより厚み0.1mmになるように設定したモールド中で硬化させ、厚さ0.1mmの樹脂硬化物を得た。これを幅5mm、長さ25mmに切り出し、フィルム用のサンプルセルに設置し、小角X線散乱測定装置SAXSess mc2モジュール式ナノ構造分析器(アントン・パール社製)を用いて散乱測定を行った。用いたX線は波長1.54オングストロームのライン光源、検出器としてSAXS用イメージングプレートを用いて積算時間3分とし、測定を行った。得られた2次元像を、解析ソフトウエア「SAXSquant 3.80」を用いてライン光線と垂直の方向に10ピクセル分積算した。得られた1次元散乱プロファイルから、ピークの有無を確認し、1つ以上のピークを有するものに関しては、一次の散乱ピークを与える散乱角θおよび散乱光の散乱体内での波長λを用いてΛ=(λ/2)/sin(θ/2)で、構造周期Λを求めた。さらに、一次の散乱ピークの半値幅をX、該ピークの極大波数をYとしたときの、X/Yの値を計算した。
 (7)硬化物の電子顕微鏡観察(ミクロ相分離構造の有無の測定)
 作製した樹脂硬化物を染色後、薄切片化し、透過型電子顕微鏡を用いて適切な倍率にて、下記条件で透過電子像を取得し、ミクロ相分離構造の有無を確認した。染色剤は、モルホロジーに充分なコントラストが付くよう、OsOとRuOを樹脂組成に応じて使い分けた。また、適切な倍率とは、小角X線散乱で得られた構造周期が1nm以上10nm未満の場合は50,000倍、構造周期が10nm以上100nm未満の場合は20,000倍、構造周期が100nm以上1,000nm未満の場合は2,000倍、構造周期が1,000nm以上の場合は1,000倍とする。
・装置:H-7100透過型電子顕微鏡(日立(株)製)
・加速電圧:100kV。
 (8)エポキシ樹脂硬化物の曲げ弾性率、曲げ破断伸度測定
 エポキシ樹脂組成物を、2mm厚の“テフロン(登録商標)”製スペーサーにより厚み2mmになるように設定したモールド中で硬化させ、厚さ2mmの樹脂硬化物を得た。これを幅10mm、長さ60mmの試験片に切り出し、インストロン万能試験機を用い、最大容量5kNのロードセルを使用し、スパン間長さを32mm、クロスヘッドスピードを100mm/分とし、JIS K7171(2008)に準拠して3点曲げを実施し、曲げ弾性率および曲げ撓み量を得た。5個のサンプルについて測定し、その平均値を曲げ弾性率および曲げ撓み量の値とした。ただし、実施例14~16および比較例7、8に関してはスパン間長さを24mmとし、それ以外は、前記と同様の条件で測定した。
 (9)樹脂硬化物の靭性値測定
 エポキシ樹脂組成物を、6mm厚の“テフロン(登録商標)”製スペーサーにより厚み6mmになるように設定したモールド中で硬化させ、厚さ6mmの樹脂硬化物を得た。この樹脂硬化物を12.7×150mmでカットし、試験片を得た。インストロン万能試験機(インストロン社製)を用い、ASTM D5045(1999)に従って試験片の加工および測定をおこなった。試験片への初期の予亀裂の導入は、液体窒素温度まで冷やした剃刀の刃を試験片にあてハンマーで剃刀に衝撃を加えることで行った。ここでいう、樹脂の靱性値とは、変形モード1(開口型)の臨界応力強度のことを指している。
 (10)耐熱性測定
 作製例2で作製したエポキシ樹脂組成物を、2mm厚の“テフロン(登録商標)”製スペーサーにより厚み2mmになるように設定したモールド中で硬化させ、厚さ2mmの樹脂硬化物を得た。これを幅10mm、長さ50mmの試験片に切り出し、レオメータMCR501(アントン・パール社製)を用い、測定治具ユニットにより捻りモードにおいて動的粘弾性測定を実施した。チャック間距離は40mm、歪み量0.05%、周波数1Hzの条件で、窒素雰囲気下、50℃から250℃まで10℃/minの昇温速度で昇温し、測定を実施した。得られた貯蔵弾性率(G’)および損失弾性率(G”)から、tanδ(=G”/G’)を算出し、その極大に対応する温度を耐熱性の指標とした。
 (11)一方向プリプレグの作製
 作製例2で作製したエポキシ樹脂組成物を、リバースロールコーターを使用して、離型紙上に塗布し、樹脂フィルムを作製した。次に、シート状に一方向に整列させた炭素繊維“トレカ”(登録商標)T800H(東レ(株)製)の両面に前記樹脂フィルム2枚を重ね、加熱加圧してエポキシ樹脂組成物を炭素繊維に含浸させ、単位面積辺りの炭素繊維重量125g/m、繊維重量含有率75%の一方向プリプレグを作製した。
 (12)繊維強化複合材料の一方向積層板の作製
 上記(11)で作成した一方向プリプレグを、繊維方向を揃えて20ply積層した。続いて、積層したプリプレグをナイロンフィルムで隙間のないように覆った。これをオートクレーブ中で135℃、内圧588kPaで2時間加熱加圧して硬化し、一方向積層板を作製した。
 (13)繊維強化複合材料の0°曲げ強度の測定方法
 繊維強化複合材料の曲げ強度の指標として、一方向材の繊維強化複合材料の0°曲げ強度を測定した。上記(12)で作成した一方向積層板を、厚み2mm、幅15mm、長さ100mmとなるように切り出した。インストロン万能試験機(インストロン社製)を用いて、クロスヘッド速度5.0mm/分、スパン80mm、圧子径10mm、支点径 4mmの条件で測定を行ない、0°曲げ強度および曲げ破断伸度を測定した。また、作製したプリプレグの目付に基づいて、実Vfを求めた後、得られた曲げ強度、曲げ破断伸度をVf60%に換算した。
 (14)繊維強化複合材料の90°曲げ強度
 エポキシ樹脂組成物と強化繊維の接着性の指標として、繊維強化複合材料の90°曲げ強度を測定した。上記(12)で作成した一方向積層板を、厚み2mm、幅15mm、長さ60mmとなるように切り出した。インストロン万能試験機(インストロン社製)を用いて、クロスヘッド速度1.0mm/分、スパン40mm、圧子径10mm、支点径4mmの条件で測定をおこない、90°曲げ強度および曲げ破断伸度を測定した。また、作製したプリプレグの目付に基づいて、実Vfを求めた後、得られた曲げ強度、曲げ破断伸度をVf60%に換算した。
 (実施例1~9)
 表1に記載の通り、作製例1および作製例4に記載の方法でエポキシ化合物、ブロック共重合体および硬化剤を配合し、エポキシ樹脂組成物およびその硬化物を作製した。小角X線散乱測定および電子顕微鏡観察から、硬化物はシリンダ構造のミクロ相分離構造を形成していることが明らかとなった。各種物性測定を行った結果、得られた硬化物の曲げ弾性率、曲げ破断伸度、および靭性値はいずれも良好であった。
 (実施例10~13)
 表2に記載の通り、作製例2および作製例5に記載の方法でエポキシ化合物、ブロック共重合体および硬化剤を配合し、エポキシ樹脂組成物およびその硬化物を作製した。小角X線散乱測定および電子顕微鏡観察から、硬化物はシリンダ構造のミクロ相分離構造を形成していることが明らかとなった。各種物性測定を行った結果、得られた硬化物の曲げ弾性率、曲げ破断伸度、および靭性値はいずれも良好であった。さらに、耐熱性についても良好であった。
 (実施例14~19)
 表2に記載の通り、作製例3および作製例6に記載の方法でエポキシ化合物、ブロック共重合体および硬化剤を配合し、エポキシ樹脂組成物およびその硬化物を作製した。小角X線散乱測定および電子顕微鏡観察から、硬化物はシリンダ構造のミクロ相分離構造を形成していることが明らかとなった。各種物性測定を行った結果、得られた硬化物の曲げ弾性率、曲げ破断伸度、および靭性値はいずれも良好であった。
 (比較例1)
 表3に記載の通り、ブロック共重合体を添加しないこと以外は作製例1および作製例4に記載の方法と同様にしてエポキシ化合物および硬化剤を配合し、エポキシ樹脂組成物およびその硬化物を作製した。小角X線散乱測定および電子顕微鏡観察から、硬化物は相構造は形成していないことが明らかとなった。各種物性測定を行った結果、得られた硬化物の曲げ破断伸度、および靭性値が不足した。
 (比較例2)
 表3に記載の通り、作製例1および作製例4に記載の方法でエポキシ化合物、重合体PBA1および硬化剤を配合し、エポキシ樹脂組成物およびその硬化物を作製した。小角X線散乱測定および電子顕微鏡観察から、硬化物はミクロ相分離構造は形成しておらず、粗大な相構造を形成していることが明らかとなった。各種物性測定を行った結果、得られた硬化物の曲げ弾性率、および曲げ破断伸度が不足した。また、靭性測定に関しては、靭性が低すぎ、サンプルへの予亀裂導入が不可能であった。
 (比較例3~6)
 表3に記載の通り、作製例1および作製例4に記載の方法でエポキシ化合物、ブロック共重合体および硬化剤を配合し、エポキシ樹脂組成物およびその硬化物を作製した。小角X線散乱測定および電子顕微鏡観察から、硬化物は微細な構造を形成しているものの、高度に秩序化しておらず、ミクロ相分離構造を形成していないことが明らかとなった。各種物性測定を行った結果、得られた硬化物の曲げ破断伸度および靭性値が不足した。
 (比較例7、8)
 表3に記載の通り、作製例1および作製例4に記載の方法でエポキシ化合物、ブロック共重合体および硬化剤を配合し、エポキシ樹脂組成物およびその硬化物を作製した。ブロック共重合体中のメタクリル酸グリシジルからなる重合体ブロックが少なすぎたため、小角X線散乱測定および電子顕微鏡観察から、硬化物はミクロ相分離構造は形成しておらず、粗大な相構造を形成していることが明らかとなった。各種物性測定を行った結果、得られた硬化物の曲げ弾性率、および曲げ破断伸度が不足した。また、靭性測定に関しては、靭性が低すぎ、サンプルへの予亀裂導入が不可能であった。
 (比較例9)
 表3に記載の通り、ブロック共重合体を添加しないこと以外は作製例2および作製例5に記載の方法でエポキシ化合物および硬化剤を配合し、エポキシ樹脂組成物およびその硬化物を作製した。小角X線散乱測定および電子顕微鏡観察から、硬化物は相構造は形成していないことが明らかとなった。各種物性測定を行った結果、得られた硬化物の耐熱性は良好であったが曲げ破断伸度、および靭性値が不足した。
 (比較例10)
 表3に記載の通り、作製例2および作製例5に記載の方法でエポキシ化合物、ブロック共重合体および硬化剤を配合し、エポキシ樹脂組成物およびその硬化物を作製した。ブロック共重合体中のメタクリル酸グリシジルからなる重合体ブロックが少なすぎたため、小角X線散乱測定および電子顕微鏡観察から、硬化物はミクロ相分離構造は形成しておらず、粗大な相構造を形成していることが明らかとなった。各種物性測定を行った結果、得られた硬化物の曲げ弾性率、および曲げ破断伸度が不足した上、耐熱性も低下する結果となった。また、靭性測定に関しては、靭性が低すぎ、サンプルへの予亀裂導入が不可能であった。
 (比較例11~13)
 表4に記載の通り、作製例2および作製例5に記載の方法でエポキシ化合物、ブロック共重合体および硬化剤を配合し、エポキシ樹脂組成物およびその硬化物を作製した。小角X線散乱測定および電子顕微鏡観察から、硬化物は微細な構造を形成しているものの、高度に秩序化しておらず、ミクロ相分離構造を形成していないことが明らかとなった。各種物性測定を行った結果、得られた硬化物の耐熱性は良好であったが曲げ破断伸度および靭性値が不足した。
 (比較例14、15)
 表4に記載の通り、ブロック共重合体を添加しないこと以外は作製例3および作製例6に記載の方法でエポキシ化合物、ブロック共重合体および硬化剤を配合し、エポキシ樹脂組成物およびその硬化物を作製した。小角X線散乱測定および電子顕微鏡観察から、硬化物は微細な構造を形成しているものの、高度に秩序化しておらず、ミクロ相分離構造を形成していないことが明らかとなった。各種物性測定を行った結果、得られた硬化物の曲げ破断伸度および靭性値が不足した。
 (比較例16、17)
 表4に記載の通り、作製例3および作製例6に記載の方法でエポキシ化合物、ブロック共重合体および硬化剤を配合し、エポキシ樹脂組成物およびその硬化物を作製した。ブロック共重合体中のメタクリル酸グリシジルからなる重合体ブロックが少なすぎたため、小角X線散乱測定および電子顕微鏡観察から、硬化物はミクロ相分離構造は形成しておらず、粗大な相構造を形成していることが明らかとなった。各種物性測定を行った結果、得られた硬化物の曲げ弾性率、および曲げ破断伸度が不足した。また、靭性測定に関しては、靭性が低すぎ、サンプルへの予亀裂導入が不可能であった。
 (比較例18~20)
 表4に記載の通り、作製例3および作製例6に記載の方法でエポキシ化合物、ブロック共重合体および硬化剤を配合し、エポキシ樹脂組成物およびその硬化物を作製した。小角X線散乱測定および電子顕微鏡観察から、硬化物は微細な構造を形成しているものの、高度に秩序化しておらず、ミクロ相分離構造を形成していないことが明らかとなった。各種物性測定を行った結果、得られた硬化物の曲げ破断伸度および靭性値が不足した。
 (実施例20~23)
 表5に記載の通り、作製例2に記載の方法で、エポキシ樹脂組成物を作製し、前記(12)の方法により、繊維強化複合材料の一方向積層板を作製した。0°および90°曲げ試験を行ったところ、曲げ強度および曲げ破断伸度はいずれも良好であった。
 (比較例21)
 表5に記載の通り、作製例2に記載の方法で、エポキシ樹脂組成物を作製し、前記(12)の方法により、繊維強化複合材料の一方向積層板を作製した。0°および90°曲げ試験を行った結果、曲げ破断伸度が不足した。
 (比較例22)
 表5に記載の通り、作製例2に記載の方法で、エポキシ樹脂組成物を作製し、前記(12)の方法により、繊維強化複合材料の一方向積層板を作製した。0°および90°曲げ試験を行った結果、曲げ強度および曲げ破断伸度のいずれも不足する結果となった。
 (比較例23)
 表5に記載の通り、作製例2に記載の方法で、エポキシ樹脂組成物を作製し、前記(12)の方法により、繊維強化複合材料の一方向積層板を作製した。0°および90°曲げ試験を行った結果、曲げ破断伸度が不足した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
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 本発明のエポキシ樹脂組成物の硬化物をマトリックス樹脂として用いた繊維強化複合材料は、スポーツ用途、一般産業用途および航空宇宙用途に好ましくに用いられる。より具体的には、スポーツ用途では、ゴルフシャフト、釣り竿、テニスやバドミントンのラケット用途、ホッケー等のスティック用途、およびスキーポール用途に好ましく用いられる。さらに一般産業用途では、自動車、自転車、船舶および鉄道車両等の移動体の構造材、ドライブシャフト、板バネ、風車ブレード、圧力容器、フライホイール、製紙用ローラ、屋根材、ケーブル、および補修補強材料等に好ましく用いられる。

Claims (15)

  1. エポキシ化合物(A)、ブロック共重合体(B)、および硬化剤(C)を含むエポキシ樹脂組成物であって、該ブロック共重合体(B)が、(メタ)アクリル系重合体からなる重合体ブロック(a)および重合体ブロック(a)とは異なるアクリル系重合体からなる重合体ブロック(b)からなり、かつ、該エポキシ樹脂組成物を硬化して得られる樹脂硬化物がミクロ相分離構造を形成するエポキシ樹脂組成物。
  2. 前記樹脂硬化物の小角X線散乱測定における一次散乱ピークの半値幅をX、該ピークの極大波数をYとするとき、0<X/Y≦1.10を満たす請求項1に記載のエポキシ樹脂組成物。
  3. 前記樹脂硬化物のミクロ相分離構造が、ラメラ構造、ジャイロイド構造、シリンダ構造およびスフィア構造からなる群から選択されるいずれかの一つの構造である、請求項1または2に記載のエポキシ樹脂組成物。
  4. ブロック共重合体(B)がABA型トリブロック共重合体であり、Aが前記重合体ブロック(a)、Bが前記重合体ブロック(b)である、請求項1~3のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
  5. ブロック共重合体(B)の重量平均分子量が1万以上40万以下、分子量分布が1.50以下である、請求項1~4のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
  6. ブロック共重合体(B)を構成する、前記重合体ブロック(a)中の(メタ)アクリル酸グリシジルの比率が50質量%以上である、請求項1~5のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
  7. ブロック共重合体(B)を構成する、前記重合体ブロック(b)中のアクリル酸n-ブチルの比率が50質量%以上である、請求項1~6のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
  8. 前記エポキシ樹脂組成物中のブロック共重合体(B)の含有比率が10質量%以上である、請求項1~7のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
  9. ブロック共重合体(B)中の前記重合体ブロック(a)の比率が5質量%以上80質量%以下である、請求項1~8のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
  10. 硬化剤(C)がポリアミン系硬化剤であり、ブロック共重合体(B)中の前記重合体ブロック(a)の比率が40質量%以上70質量%以下である、請求項9に記載のエポキシ樹脂組成物。
  11. 硬化剤(C)がジシアンジアミド系硬化剤であり、ブロック共重合体(B)中の前記重合体ブロック(a)の比率が5質量%以上40質量%以下である、請求項9に記載のエポキシ樹脂組成物。
  12. 硬化剤(C)がアニオン・カチオン重合系硬化剤であり、ブロック共重合体(B)中の前記重合体ブロック(a)の比率が5質量%以上30質量%以下である、請求項9に記載のエポキシ樹脂組成物。
  13. 請求項1~12のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物と強化繊維を含むプリプレグ。
  14. 請求項13に記載のプリプレグを硬化させてなる繊維強化複合材料。
  15. 請求項1~12のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物を硬化させて得られる樹脂硬化物と、強化繊維を含む繊維強化複合材料。
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