WO2015159781A1 - 繊維強化複合材料 - Google Patents

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WO2015159781A1
WO2015159781A1 PCT/JP2015/061027 JP2015061027W WO2015159781A1 WO 2015159781 A1 WO2015159781 A1 WO 2015159781A1 JP 2015061027 W JP2015061027 W JP 2015061027W WO 2015159781 A1 WO2015159781 A1 WO 2015159781A1
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epoxy resin
fiber
acid
anhydride
resin composition
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唯我 浅井
友孝 和田
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三菱瓦斯化学株式会社
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    • C08JWORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J5/00Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/04Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C08J2363/00Characterised by the use of epoxy resins; Derivatives of epoxy resins

Definitions

  • the present invention relates to an epoxy resin composition suitable for a matrix resin used in a fiber reinforced composite material represented by a carbon fiber reinforced composite material.
  • Fiber composite materials are mainly composed of reinforcing fibers and matrix resin.
  • matrix resin an epoxy resin composition excellent in adhesiveness with various materials is mainly used.
  • An amine curing agent and an acid anhydride curing agent are mainly used for the epoxy resin composition of the matrix resin of the fiber reinforced composite material (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
  • Amine-based curing agents are generally amines having 1-20 carbon atoms, cyclohexylamine, aminomethylcyclohexane, benzylamine, aniline, aromatic amines having 1-20 carbon atoms, naphthylamine, biphenyl.
  • acid anhydride curing agents are preferably used because they generally have low toxicity and skin irritation.
  • an acid anhydride curing agent generally methylhexahydrophthalic anhydride, methyltetrahydrophthalic anhydride, methylnadic acid anhydride, dihydromethylnadic anhydride, hexahydrophthalic anhydride, tetrahydrophthalic anhydride, nadic anhydride , Succinic anhydride, maleic anhydride, dodecenyl succinic anhydride, diethyl glutaric anhydride and mixtures thereof.
  • An object of the present invention is to provide a fiber-reinforced composite material having excellent compressive strength and interlaminar shear strength.
  • a fiber reinforced composite material comprising a cured epoxy resin obtained by curing an epoxy resin composition and reinforcing fibers, the epoxy resin composition comprising an epoxy resin (A) and a curing agent (B), 10 to 80% by mass of the curing agent (B) is 1,2,4-cyclohexanetricarboxylic acid-1,2-anhydride, and the reinforcing fiber is selected from the group consisting of carbon fiber, aramid fiber and boron fiber.
  • a fiber-reinforced composite material containing more than seeds.
  • the curing agent (B) is selected from the group consisting of methylhexahydrophthalic anhydride, methyltetrahydrophthalic anhydride, hexahydrophthalic anhydride, tetrahydrophthalic anhydride, methylnadic acid anhydride and dihydromethylnadic acid anhydride.
  • a fiber-reinforced composite material having high adhesive strength between a cured epoxy resin and a reinforcing fiber (particularly carbon fiber) and excellent compressive strength and interlayer shear strength.
  • the “epoxy resin” is a compound having one or more epoxy groups in one molecule.
  • the “epoxy resin composition” is obtained by mixing elements (curing agents) necessary for polymerization or curing reaction with “epoxy resin”.
  • the “cured product” is obtained by polymerizing or curing the “epoxy resin composition”.
  • the epoxy resin composition used in this embodiment contains at least the epoxy resin (A) and the curing agent (B), and 10 to 80% by mass of the curing agent (B) is 1,2,4-cyclohexanetricarboxylic acid-1 , 2-anhydride.
  • the epoxy resin (A) is not particularly limited, and any epoxy resin can be used.
  • any epoxy resin can be used.
  • the epoxy resin (A) used by this embodiment may mix
  • bisphenol A type epoxy resin, 3 ′, 4′-epoxycyclohexylmethyl-3,4-epoxycyclohexanecarboxylate, and mixtures thereof are preferable, and 3 ′, 4′-epoxycyclohexylmethyl- 3,4-Epoxycyclohexanecarboxylate.
  • the proportion of 1,2,4-cyclohexanetricarboxylic acid-1,2-anhydride in the curing agent (B) is preferably 10 to 80% by mass, more preferably 15 to 60% by mass, and still more preferably. 33 to 50% by mass.
  • the proportion of 1,2,4-cyclohexanetricarboxylic acid-1,2-anhydride is 10% by mass or more, the adhesive strength between the cured epoxy resin and the reinforcing fiber is increased.
  • the ratio of 1,2,4-cyclohexanetricarboxylic acid-1,2-anhydride is 80% by mass or less, the viscosity of the curing agent is lowered and workability is improved.
  • the viscosity of the curing agent (B) is preferably 400 Pa ⁇ s or less at 25 ° C., more preferably 15 Pa ⁇ s or less at 25 ° C., and further preferably 6 Pa ⁇ s or less at 25 ° C.
  • curing agent (B) is not specifically limited, For example, it is 0.1 Pa.s or more in 25 degreeC.
  • the method for controlling the viscosity of the curing agent (B) within the above range is not particularly limited.
  • the viscosity of 1,2,4-cyclohexanetricarboxylic acid-1,2-anhydride is used as the curing agent (B).
  • curing agent which has a low viscosity is mentioned.
  • the viscosity of the curing agent used in combination with 1,2,4-cyclohexanetricarboxylic acid-1,2-anhydride is preferably 0.01 to 1 Pa ⁇ s at 25 ° C., and 0.03 to 0.3 Pa ⁇ s. More preferably, it is 0.05 to 0.08 Pa ⁇ s.
  • curing agent (B) can be measured by the method as described in the below-mentioned Example.
  • the curing agent (B) may contain various acid anhydride compounds as long as the effects of the present invention are not impaired.
  • Specific examples of the acid anhydride-based compound are not particularly limited.
  • methylhexahydrophthalic anhydride methyltetrahydrophthalic anhydride, hexahydrophthalic anhydride, tetrahydrophthalic anhydride, methylnadic anhydride, dihydromethylnadic anhydride, and mixtures thereof are preferred, and more preferred.
  • the epoxy resin composition may contain an organic compound having a carboxyl group as long as the effects of the present invention are not impaired.
  • organic compound having a carboxyl group are not particularly limited.
  • a carboxylic acid substituted with an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms cyclopropanecarboxylic acid, cyclobutanecarboxylic acid, cyclopentanecarboxylic acid, cyclohexanecarboxylic acid.
  • Aromatic carboxylic acid substituted with alkyl group acrylic acid, methacrylic acid, crotonic acid, salicylic acid, acetylsalicylic acid, oxalic acid, fumaric acid, maleic acid, malic acid, tartaric acid, ascorbic acid, propanedioic acid, butanedioic acid, Pentane Hexanediacid, heptanedioic acid, octanedioic acid, nonanedioic acid, decanedioic acid, dodecanedio
  • the blending ratio of the epoxy resin (A) and the curing agent (B) in the epoxy resin composition is preferably such that the blending equivalent ratio represented by the following formula (1) is 0.4 to 1.2. Is more preferably from 1.1 to 1.1, and even more preferably from 0.85 to 0.95.
  • Equivalent ratio of epoxy resin (A) and curing agent (B) (X + Y) / Z (1) X: number of functional groups of acid anhydride group contained in curing agent (B) Y: number of functional groups of carboxyl group contained in curing agent (B) Z: number of functional groups of epoxy group contained in epoxy resin (A)
  • the epoxy resin composition can be imparted with fast curability by adding a curing accelerator.
  • the curing accelerator is not particularly limited, but examples thereof include tertiary amines such as benzyldimethylamine, tris (dimethylaminomethyl) phenol, dimethylcyclohexylamine, 1-cyanoethyl-2-ethyl-4-methylimidazole, 2- Imidazoles such as ethyl-4-methylimidazole and 1-benzyl-2-methylimidazole, organophosphorus compounds such as triphenylphosphine and triphenyl phosphite, tetraphenylphosphonium bromide, tetra-n-butylphosphonium bromide and the like Quaternary phosphonium salts, diazabicycloalkenes such as 1,8-diazabicyclo [5.4.0] -7-undecene and organic acid salts thereof, organic metals such as zinc octylate
  • a curing accelerator a high melting point imidazole compound, dicyandiamide, a high melting point dispersion type latent accelerator such as an amine addition type accelerator in which an amine is added to an epoxy resin, an imidazole-based, phosphorus-based, or phosphine-based accelerator.
  • Typical examples include microcapsule type latent accelerators coated with polymers, amine salt type latent curing accelerators, high temperature dissociation type thermal cationic polymerization type latent curing accelerators such as Lewis acid salts and Bronsted acid salts. Latent cure accelerators can also be used.
  • imidazole curing accelerators are preferable, and 2-ethyl-4-methylimidazole is more preferable.
  • the epoxy resin composition includes a filler, a modifying component such as a plasticizer, a flow adjusting component such as a diluent and a thixotropic agent, a pigment, a leveling agent, a tackifier, a flame retardant, a lubricant, and a sliding property modification.
  • a modifying component such as a plasticizer
  • a flow adjusting component such as a diluent and a thixotropic agent
  • a pigment such as a diluent and a thixotropic agent
  • a pigment such as a pigment, a leveling agent, a tackifier, a flame retardant, a lubricant, and a sliding property modification.
  • Agent antistatic agent, silane coupling agent, ion trap agent, surface treatment agent, silicone oil, paraffin, wax, various rubbers, organic polymer beads, impact resistance improver, surfactant, antifoaming agent, anti-settling agent , Light diffusing agent, silica, silica gel, silica sol, talc, carbon black, mica, titanium oxide, phosphor, light diffusing agent, UV absorber, antioxidant, mold release agent, conductive filler, low viscosity for viscosity adjustment Solvent, carbon dioxide generation inhibitor, short fiber, non-woven fabric, nylon 6 particles, nylon 6-6 particles, nylon 11 particles, nylon 12 particles, nylon 6-10 particles, nylon 8-1 Fine particles, nylon 9-10 fine particles, nylon 10-10 fine particles, nylon 6T fine particles, nylon 6IT fine particles, nylon 8T fine particles, nylon 8IT fine particles, nylon 9T fine particles, nylon 9IT fine particles, nylon 10T fine particles, nylon 10IT fine particles, nylon 12T fine particles, Nylon 12IT fine particles, thermoplastic polyurethane fine particles, thermosetting
  • the epoxy resin composition may be stored separately in two or more components, for example, an epoxy resin (A) and a curing agent (B), and these may be prepared before curing. Moreover, you may preserve
  • an epoxy resin composition containing each component it is preferably stored at a low temperature (usually ⁇ 40 to ⁇ 15 ° C.).
  • the method for curing the epoxy resin composition is not particularly limited.
  • a conventionally known curing device can be employed.
  • the heating is not particularly limited, and can be performed by a conventionally known method such as hot air circulation, infrared heating, high frequency heating, heating medium heating or the like.
  • the curing temperature and curing time are preferably in the range of 30 to 10 hours at 80 to 250 ° C. When it is desired to reduce the internal stress of the cured product, it is preferable to pre-cure under conditions of 80 to 120 ° C.
  • curing is preferably performed under conditions of 150 to 250 ° C. and 30 seconds to 30 minutes.
  • a cured product (epoxy resin cured product) obtained by curing the epoxy resin composition has good adhesion to reinforcing fibers (particularly carbon fibers).
  • the adhesive strength between the cured epoxy resin and the reinforcing fiber is preferably 45 MPa or more, more preferably 50 MPa or more, and further preferably 55 MPa.
  • the reinforcing fiber used in the fiber-reinforced composite material of this embodiment includes one or more selected from the group consisting of carbon fiber, aramid fiber, and boron fiber.
  • the reinforcing fiber it is preferable to use carbon fiber because it is particularly excellent in strength.
  • cured material and reinforcing fiber is 80:20. Is preferably 20:80, more preferably 70:30 to 40:60, and even more preferably 65:35 to 55:45.
  • the fiber-reinforced composite material of this embodiment includes fillers, modifying components such as plasticizers, flow control components such as diluents and thixotropic agents, pigments, leveling agents, tackifiers, flame retardants, lubricants, and sliding materials.
  • modifying components such as plasticizers
  • flow control components such as diluents and thixotropic agents, pigments, leveling agents, tackifiers, flame retardants, lubricants, and sliding materials.
  • Property modifier antistatic agent, silane coupling agent, ion trap agent, surface treatment agent, silicone oil, paraffin, wax, various rubbers, organic polymer beads, impact resistance improver, surfactant, antifoaming agent, Anti-settling agent, light diffusing agent, silica, silica gel, silica sol, talc, carbon black, mica, titanium oxide, phosphor, light diffusing agent, ultraviolet absorber, antioxidant, mold release agent, conductive filler, viscosity adjustment
  • a low-viscosity solvent for use, a carbon dioxide gas generation inhibitor, or a mixture thereof can be added and used depending on the application.
  • the method for molding the fiber reinforced composite material of the present embodiment is not particularly limited.
  • hand lay-up molding, prepreg molding, filament winding molding, sheet winding molding, pull trusion (pulling) molding, RTM (resin transfer molding) ) Molding, L-RTM molding, Va-RTM molding, infusion molding, press molding, PCM molding, liquid laydown molding, die coating molding, and Surface-RTM molding can be employed.
  • hardening apparatuses such as a closed-type hardening furnace, the tunnel furnace which can be continuously hardened, and a metal mold
  • the heating is not particularly limited, and can be performed by a conventionally known method such as hot air circulation, infrared heating, high frequency heating, heating medium heating or the like.
  • the curing temperature and curing time are preferably in the range of 30 to 10 hours at 80 to 250 ° C.
  • curing is preferably performed under conditions of 150 to 250 ° C. and 30 seconds to 30 minutes.
  • the fiber-reinforced composite material of the present embodiment is preferably used for structural members and outer plates of aircraft, space satellites, industrial machines, railway vehicles, ships, automobiles, and the like.
  • the following resin raw materials were used for the production of the epoxy resin composition, its cured product, and fiber reinforced composite material.
  • ⁇ Acid anhydride> (1) “H-TMAn (registered trademark)”: manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Co., Ltd., 1,2,4-cyclohexanetricarboxylic acid-1,2-anhydride (2) “Licacid (registered trademark)” MH-700G: New Japan Rika, mixture of 4-methylhexahydrophthalic anhydride and hexahydrophthalic anhydride (3) HN-2200: manufactured by Hitachi Chemical, 3-methyl-1,2,3,6-tetrahydrophthalic anhydride and 4-methyl -Mixture with 1,2,3,6-tetrahydrophthalic anhydride (4) MHAC-P: manufactured by Hitachi Chemical, 3-methyl-3,6-endomethylene-1,2,3,6-tetrahydrophthalic anhydride And 4-methyl-3,6-endomethylene-1,2,3,6-tetrahydrophthalic anhydride ⁇ curing accelerator> (1) 2-ethyl-4-methylimidazole: manufactured by Tokyo Chemical Industry
  • the method for measuring the viscosity is as follows. ⁇ Viscosity measurement> The viscosity of the acid anhydride curing agent obtained in Examples and Comparative Examples described later was measured by a method based on JIS Z8803 (1991). TVE-22H type manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd. was used, and the rotor was 1 ° 34 ′ ⁇ R24 or 3 ° ⁇ R7.7, and the sample amount was 1 cm 3 .
  • the curing method and physical property evaluation method of the epoxy resin composition are as follows. ⁇ Production of cured product> The epoxy resin compositions obtained in Examples and Comparative Examples described later were mixed in a beaker with a stirrer, and the dissolved gas in the epoxy resin composition was degassed in a vacuum. Thereafter, the epoxy resin composition was poured into a mold, precured at 100 ° C. for 3 hours, and further post-cured at 150 ° C. for 2 hours to obtain a cured product.
  • a cured product obtained in Examples and Comparative Examples described later is used as a test piece having a thickness of 4 mm, a width of 10 mm, and a length of 10 mm, and conditioned at 23 ° C. and a relative humidity of 50% for 1 week, and in accordance with JIS K7181 Was measured at 23 ° C., relative humidity 50%, and test speed 1 mm / min using a universal material testing machine Model 5582 manufactured by Instron.
  • the glass transition temperature Tg of the cured products obtained in Examples and Comparative Examples described later was measured by DSC method using DSC6200 manufactured by Seiko Instruments Inc. according to JIS K7121 (1987).
  • the carbon fiber tow was unwound with tweezers, and one carbon fiber was taken out.
  • a droplet of the epoxy resin composition is attached to the taken-out carbon fiber, precured at 100 ° C. for 3 hours, and further post-cured at 150 ° C. for 2 hours to cure the droplet attached to the carbon fiber. It was.
  • the cured product adhering to the carbon fiber is conditioned for one week at 23 ° C. and 50% relative humidity, and the carbon fiber and the cured product are mixed at 23 ° C. and 50% relative humidity using a composite material interface property evaluation apparatus. Interfacial shear stress was measured.
  • the bond strength T [ [MPa] can be calculated by the following equation.
  • the method for producing the fiber reinforced composite material and the method for evaluating the physical properties are as follows.
  • a fiber reinforced composite material was prepared by a hand lay-up molding method.
  • carbon fiber fabric “Torayca (registered trademark)” Cross CO-6343 carbon fiber: T300-3K, woven structure: plain weave, basis weight: 200 g / m 2 , thickness 0.25 mm) manufactured by Toray Industries, Inc. Using.
  • a sheet of reinforcing fiber (width 300 mm ⁇ length 300 mm) is applied to a glass plate (thickness 10 mm ⁇ width 400 mm ⁇ length 400 mm) on which a cellophane film for release (PHT # 400 manufactured by Phutamura Chemical Co., Ltd.) is attached.
  • PHT # 400 manufactured by Phutamura Chemical Co., Ltd.
  • the epoxy resin composition which was mixed in a beaker with a stirrer and degassed in a vacuum, was applied to the reinforcing fiber base with an iron screw roller. Thereafter, the step of setting the reinforcing fiber base and the step of applying the epoxy resin composition were repeated to laminate eight reinforcing fiber bases.
  • a glass plate on which a cellophane film for release was affixed was placed on top of the laminate.
  • a 2 mm thick spacer was sandwiched between the upper and lower glass plates.
  • a 10 kg weight was placed on a glass plate, precured at 100 ° C. for 3 hours, and further post-cured at 150 ° C. for 2 hours to obtain a fiber-reinforced composite material.
  • An epoxy resin composition A was obtained by mixing 100 g of jER828, 74 g of acid anhydride curing agent A, and 0.12 g of 2-ethyl-4-methylimidazole.
  • a cured product was prepared using the epoxy resin composition A, and the physical properties were measured. The results are shown in Table 1.
  • An epoxy resin composition C was obtained by mixing 100 g of jER828, 65 g of acid anhydride curing agent C, and 0.12 g of 2-ethyl-4-methylimidazole.
  • a cured product was prepared using the epoxy resin composition C, and the physical properties were measured. The results are shown in Table 1.
  • An epoxy resin composition D was obtained by mixing 100 g of jER828, 60 g of acid anhydride curing agent D, and 0.12 g of 2-ethyl-4-methylimidazole.
  • a cured product was prepared using the epoxy resin composition D, and the physical properties were measured. The results are shown in Table 1.
  • Example 8 100 g of Celoxide 2021P, 90 g of acid anhydride curing agent C, and 0.16 g of 2-ethyl-4-methylimidazole were mixed to obtain an epoxy resin composition H.
  • a cured product was prepared using the epoxy resin composition H, and the physical properties were measured. The results are shown in Table 1.
  • An epoxy resin composition N was obtained by mixing 80 g of jER828, 20 g of Denacol EX-214, 70 g of acid anhydride curing agent C, and 0.13 g of 2-ethyl-4-methylimidazole.
  • a cured product was prepared using the epoxy resin composition N, and the physical properties were measured.
  • Example 15 For the fiber-reinforced composite material of Example 8, the reinforcing fiber base material was changed to an aramid fiber fabric (manufactured by Kanebo, K-281, woven structure: plain weave, basis weight: 170 g / m 2 , thickness 0.25 mm), and the physical properties were measured. did. The results are shown in Table 2.
  • Example 16> Regarding the fiber-reinforced composite material of Example 8, a carbon fiber woven fabric (CO-6343, manufactured by Toray, carbon fiber: T300-3K, woven structure: plain weave, basis weight: 200 g / m 2 , thickness 0.25 mm) And glass fiber woven fabric (manufactured by Nittobo, WF 230 100 BS6, weave structure: plain weave, basis weight: 200 g / m 2 , thickness 0.25 mm), and the physical properties were measured. The results are shown in Table 2.
  • Example 17 100 g of Celoxide 2021P, 90 g of acid anhydride curing agent C, 0.16 g of 2-ethyl-4-methylimidazole, and 19 g of nylon 12 fine particles (SP-10, manufactured by Toray) were mixed to obtain an epoxy resin composition O. .

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Abstract

本発明の繊維強化複合材料は、エポキシ樹脂組成物を硬化させたエポキシ樹脂硬化物と、強化繊維とを含んでなる繊維強化複合材料であって、該エポキシ樹脂組成物がエポキシ樹脂(A)及び硬化剤(B)を含み、該硬化剤(B)の10~80質量%が1,2,4-シクロヘキサントリカルボン酸-1,2-無水物であり、前記強化繊維が炭素繊維、アラミド繊維及びボロン繊維からなる群より選ばれる1種以上を含む。

Description

繊維強化複合材料
 本発明は、炭素繊維強化複合材料に代表される繊維強化複合材料に用いるマトリックス樹脂に好適なエポキシ樹脂組成物に関する。
 繊維強化複合材料は、主に強化繊維とマトリックス樹脂とより構成される。マトリックス樹脂には、各種材料との接着性に優れるエポキシ樹脂組成物が主に使用される。
 繊維強化複合材料のマトリックス樹脂のエポキシ樹脂組成物には、アミン系硬化剤、酸無水物系硬化剤が主に使用される(例えば、特許文献1及び2参照)。
特開2009-102563号公報 特開2011-89071号公報
 アミン系硬化剤は、一般的に炭素数1~20のアルキル基を有するアミン、シクロヘキシルアミン、アミノメチルシクロヘキサン、ベンジルアミン、アニリン、炭素数1~20のアルキル基を有する芳香族アミン、ナフチルアミン、ビフェニルアミン、オルトキシレンジアミン、メタキシレンジアミン、パラキシレンジアミン、cis-1,2-ビス(アミノメチル)シクロヘキサン、trans-1,2-ビス(アミノメチル)シクロヘキサン、cis-1,3-ビス(アミノメチル)シクロヘキサン、trans-1,3-ビス(アミノメチル)シクロヘキサン、cis-1,4-ビス(アミノメチル)シクロヘキサン、trans-1,4-ビス(アミノメチル)シクロヘキサン、イソホロンジアミン、ノルボルナンジアミン、リモネンジアミン、ビス(アミノメチル)トリシクロデカン、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルエーテル、ジアミノジフェニルスルホン、ジアミノベンゾフェノン、オルトフェニレンジアミン、メタフェニレンジアミン、パラフェニレンジアミン、ジアミノナフタレン、ジアミノビフェニル、ジエチルトルエンジアミン、ジクロロジアミノジフェニルメタン、ジメチルジアミノジフェニルメタン、エチレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、テトラエチレンペンタミン、N-アミノエチルピペラジン、N,N'-ビス(アミノエチル)ピペラジン、プロパンジアミン、ブタンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、オクタメチレンジアミン、ノナンジアミン、デカンジアミン、トリメチルヘキサメチレンジアミン、cis-1,2-ジアミノシクロヘキサン、trans-1,2-ジアミノシクロヘキサン、cis-1,3-ジアミノシクロヘキサン、trans-1,3-ジアミノシクロヘキサン、cis-1,4-ジアミノシクロヘキサン、trans-1,4-ジアミノシクロヘキサン、ジアミノジシクロヘキシルメタン、ジメチルジアミノジシクロヘキシルメタン、ジアミノアダマンタン、ビス(アミノメチル)ナフタレン、ビス(アミノメチル)テトラリン、ビス(アミノメチル)デカリン、トリス(アミノメチル)ベンゼン、トリス(アミノメチル)シクロヘキサン、テトラキス(アミノメチル)ベンゼン、テトラキス(アミノメチル)シクロヘキサン、ビス(アミノメチル)アダマンタン、N-ベンジルエチレンジアミン、ジベンジルエチレンジアミン、ポリエーテルポリアミン、メンセンジアミン、3,9-ビス(3-アミノプロピル)-2,4,8,10-テトラオキサスピロ(5,5)ウンデカンアダクト及びこれらのマンニッヒ反応による変性物、エポキシ化合物の反応による変性物、カルボキシル基を有する化合物との変性物、マイケル反応による変性物、エピクロルヒドリンによる変性物、スチレンによる変性物及びこれらの混合物が使用される。しかしながら、これらのアミン系硬化剤は、毒性や皮膚刺激性が高いという問題点がある。
 一方、酸無水物系硬化剤は一般的に毒性や皮膚刺激性が低いことから好適に利用されている。酸無水物系硬化剤として、一般的にメチルヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルナジック酸無水物、ジヒドロメチルナジック酸無水物、ヘキサヒドロ無水フタル酸、テトラヒドロ無水フタル酸、ナジック酸無水物、無水コハク酸、無水マレイン酸、ドデセニル無水コハク酸、ジエチルグルタル酸無水物及びこれらの混合物が使用される。
 しかしながら、上記のような酸無水物系硬化剤を用いた場合、エポキシ硬化物の強化繊維(特に炭素繊維)に対する接着強度が低いという問題点がある。エポキシ硬化物の強化繊維に対する接着強度が低い場合、繊維強化プラスチックの圧縮強度や層間せん断強度が低下する。
 本発明の目的は、圧縮強度や層間せん断強度に優れる繊維強化複合材料を提供することにある。
 本発明者らは上記課題を解決するため鋭意検討した結果、特定の構造を有する酸無水物が特定の割合で配合されてなるエポキシ樹脂組成物によって、上記の目的を達成できることを見出し、本発明に至った。
 すなわち本発明は以下に関するものである。
[1]
 エポキシ樹脂組成物を硬化させたエポキシ樹脂硬化物と、強化繊維とを含んでなる繊維強化複合材料であって、該エポキシ樹脂組成物がエポキシ樹脂(A)及び硬化剤(B)を含み、該硬化剤(B)の10~80質量%が1,2,4-シクロヘキサントリカルボン酸-1,2-無水物であり、前記強化繊維が炭素繊維、アラミド繊維及びボロン繊維からなる群より選ばれる1種以上を含む、繊維強化複合材料。
[2]
 前記強化繊維が炭素繊維である、[1]に記載の繊維強化複合材料。
[3]
 前記エポキシ樹脂硬化物と前記強化繊維との配合質量比(硬化物:強化繊維)が80:20~20:80である、[1]又は[2]に記載の繊維強化複合材料。
[4]
 前記硬化剤(B)がメチルヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、テトラヒドロ無水フタル酸、メチルナジック酸無水物及びジヒドロメチルナジック酸無水物からなる群より選ばれる1種以上を更に含む、[1]~[3]のいずれかに記載の繊維強化複合材料。
 本発明によれば、エポキシ樹脂硬化物と強化繊維(特に炭素繊維)との接着強度が高く、圧縮強度や層間せん断強度に優れる繊維強化複合材料が提供される。
 以下、本発明の実施形態(以下「本実施形態」とも記す。)について説明する。なお、以下の実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明はその実施形態のみに限定されない。
 本実施形態において、「エポキシ樹脂」とは1分子内に1個以上のエポキシ基を有する化合物のことである。「エポキシ樹脂組成物」とはポリマー化あるいは硬化反応に必要な要素(硬化剤)が「エポキシ樹脂」に混合されたものである。「硬化物」とは「エポキシ樹脂組成物」がポリマー化あるいは硬化なされたものである。
 本実施形態に用いるエポキシ樹脂組成物は、少なくともエポキシ樹脂(A)及び硬化剤(B)を含み、該硬化剤(B)の10~80質量%が1,2,4-シクロヘキサントリカルボン酸-1,2-無水物である。
 エポキシ樹脂(A)としては、特に限定されず全てのエポキシ樹脂を使用することができるが、例えば、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AP型エポキシ樹脂、ビスフェノールAF型エポキシ樹脂、ビスフェノールB型エポキシ樹脂、ビスフェノールBP型エポキシ樹脂、ビスフェノールC型エポキシ樹脂、ビスフェノールE型エポキシ樹脂、ビスフェノールG型エポキシ樹脂、ビスフェノールM型エポキシ樹脂、ビスフェノールS型エポキシ樹脂、ビスフェノールP型エポキシ樹脂、ビスフェノールPH型エポキシ樹脂、ビスフェノールTMC型エポキシ樹脂、ビスフェノールM型エポキシ樹脂、レゾルシン型エポキシ樹脂、ハイドロキノン型エポキシ樹脂、カテコール型エポキシ樹脂、ジヒドロキシナフタレン型エポキシ樹脂、ジヒドロキシジヒドロナフタレン型エポキシ樹脂、ジヒドロキシテトラリン型エポキシ樹脂、ジヒドロキシアントラセン型エポキシ樹脂、ジヒドロキシジヒドロアントラセン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、テトラメチルビフェニル型エポキシ樹脂、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、トリフェニルメタン型エポキシ樹脂、テトラフェニルエタン型エポキシ樹脂、テトラフェニルメタン型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン-フェノール付加反応型エポキシ樹脂、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂、ナフトールノボラック型エポキシ樹脂、ナフトールアラルキル型エポキシ樹脂、ナフトール-フェノール共縮ノボラック型エポキシ樹脂、ナフトール-クレゾール共縮ノボラック型エポキシ樹脂、芳香族炭化水素ホルムアルデヒド樹脂変性フェノール樹脂型エポキシ樹脂、ビフェニル変性ノボラック型エポキシ樹脂、テトラブロモビスフェノールA型エポキシ樹脂、ブロム化フェノールノボラック型エポキシ樹脂、炭素数1~20のアルキル基を有するアルコールのグリシジルエーテル化物、フェニルグリシジルエーテル、シクロヘキシルグリシジルエーテル、炭素数1~20のアルキル基が置換した芳香族グリシジルエーテル、キシリルグリシジルエーテル、カルダニルグリシジルエーテル、水添カルダニルグリシジルエーテル、ベンジルグリシジルエーテル、水添ビスフェノールAジグリシジルエーテル、水添ビスフェノールFジグリシジルエーテル、シクロヘキサンジメタノールジグリシジルエーテル、ノルボルナンジメタノールジグリシジルエーテル、シクロヘキサンジオールジグリシジルエーテル、プロパンジオールジグリシジルエーテル、ブタンジオールジグリシジルエーテル、ヘキサンジオールジグリシジルエーテル、ノナンジオールジグリシジルエーテル、デカンジオールジグリシジルエーテル、メタキシレングリコールジグリシジルエーテル、パラキシレングリコールジグリシジルエーテル、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル、ポリプロピレングリコールジグリシジルエーテル、ポリエチレングリコールモノメチルエーテルモノグリシジルエーテル、ポリプロピレングリコールモノメチルエーテルモノグリシジルエーテル、ジグリシジルアニリン、ジグリシジルトルイジン、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン、テトラグリシジルジクロロジアミノメタン、テトラグリシジルジメチルジアミノメタン、テトラグリシジルジアミノジフェニルスルホン、テトラグリシジルメタキシレンジアミン、テトラグリシジルパラキシリレンジアミン、テトラグリシジルビス(アミノメチル)シクロヘキサン、テトラグリシジルイソホロンジアミン、テトラグリシジルシクロヘキサンジアミン、トリグリシジル-N-アミノエチルピペラジン、トリグリシジルフェニルエチルキシリレンジアミン、テトラグリシジルジアミノジシクロヘキシルメタン、テトラグリシジルジメチルジアミノジシクロヘキシルメタン、テトラグリシジルジクロロジアミノジシクロヘキシルメタン、トリグリシジルパラアミノフェノール、トリグリシジルメタアミノフェノール、ヘキサヒドロフタル酸ジグリシジルエステル、メチルヘキサヒドロフタル酸ジグリシジルエステル、テトラヒドロフタル酸ジグリシジルエステル、メチルテトラヒドロフタル酸ジグリシジルエステル、フタル酸ジグリシジルエステル、テレフタル酸ジグリシジルエステル、メチルフタル酸ジグリシジルエステル、メチルテレフタル酸ジグリシジルエステル、シクロヘキサンジカルボン酸ジグリシジルエステル、ノルボルネンジカルボン酸ジグリシジルエステル、1,2,4-シクロヘキサントリカルボン酸トリグリシジルエステル、1,3,5-シクロヘキサントリカルボン酸トリグリシジルエステル、1,2,4-ベンゼントリカルボン酸トリグリシジルエステル、1,3,5-ベンゼントリカルボン酸トリグリシジルエステル、1,2,4,5-シクロヘキサンテトラカルボン酸テトラグリシジルエステル、1,2,4,5-ベンゼンテトラカルボン酸テトラグリシジルエステル、バーサチック酸グリシジルエステル、アジピン酸ジグリシジルエステル、長鎖二塩基酸ジグリシジルエステル、メタクリル酸グリシジルエステル、3',4'-エポキシシクロヘキシルメチル-3,4-エポキシシクロヘキサンカルボキシレート、ε-カプロラクトン変性エポキシ、テトラヒドロフタル酸ジグリシジルエステルモノオキシド、ビニルシクロヘキセンモノオキシド、1,2-エポキシ-4-ビニルシクロヘキサン、1,2:8,9-ジエポキシリモネン、3,4-エポキシシクロヘキシルメチルメタアクリレート、トリグリシジルイソシアヌレート、3-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、2-(3,4-エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン等を挙げることができる。なお、本実施形態で用いるエポキシ樹脂(A)は、前記例示したエポキシ樹脂を単独で配合してもよいし、また、複数種混合して配合してもよい。これらの中では、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、3',4'-エポキシシクロヘキシルメチル-3,4-エポキシシクロヘキサンカルボキシレート、及びこれらの混合物が好ましく、さらに好ましくは3',4'-エポキシシクロヘキシルメチル-3,4-エポキシシクロヘキサンカルボキシレートである。
 硬化剤(B)中の、1,2,4-シクロヘキサントリカルボン酸-1,2-無水物の割合は、10~80質量%が好ましく、より好ましくは15~60質量%であり、さらに好ましくは33~50質量%である。1,2,4-シクロヘキサントリカルボン酸-1,2-無水物の割合が10質量%以上であるとエポキシ樹脂硬化物と強化繊維との接着強度が高くなる。また、1,2,4-シクロヘキサントリカルボン酸-1,2-無水物の割合が80質量%以下であると、硬化剤の粘度が低くなり作業性が向上する。
 硬化剤(B)の粘度は、25℃において400Pa・s以下であることが好ましく、より好ましくは25℃において15Pa・s以下であり、さらに好ましくは25℃において6Pa・s以下である。硬化剤(B)の粘度の下限は、特に限定されないが、例えば、25℃において0.1Pa・s以上である。硬化剤(B)の粘度が前記範囲内であると作業性が向上する傾向にある。硬化剤(B)の粘度を前記範囲内に制御する方法は、特に限定されないが、例えば、硬化剤(B)として、1,2,4-シクロヘキサントリカルボン酸-1,2-無水物の粘度より低い粘度を有する硬化剤を併用する方法が挙げられる。1,2,4-シクロヘキサントリカルボン酸-1,2-無水物と併用する硬化剤の粘度は、25℃において0.01~1Pa・sであることが好ましく、0.03~0.3Pa・sであることがより好ましく、0.05~0.08Pa・sであることがさらに好ましい。このような範囲の粘度を有する硬化剤としては、特に限定されないが、例えば、後述の酸無水物系化合物が挙げられる。なお、本実施形態において、硬化剤(B)の粘度は、後述の実施例に記載の方法で測定することができる。
 硬化剤(B)には、本発明の効果を損なわない限り、種々の酸無水物系化合物が含有されていてもよい。酸無水物系化合物の具体例としては、特に限定されないが、例えば、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルナジック酸無水物、ジヒドロメチルナジック酸無水物、ヘキサヒドロ無水フタル酸、テトラヒドロ無水フタル酸、ナジック酸無水物、無水コハク酸、無水マレイン酸、ドデセニル無水コハク酸、ジエチルグルタル酸無水物、無水フタル酸、無水トリメリット酸、無水ピロメリット酸、ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、ナフタレンテトラカルボン酸二無水物、オキソジフタル酸二無水物、ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物、ジフェニルメタンテトラカルボン酸二無水物、トリアルキルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルシクロヘキセンテトラカルボン酸二無水物、エチレングリコールビスアンヒドロトリメリテート、グリセリンアンヒドロトリメリテートモノアセテート、アダマンチルコハク酸無水物、ジメチルアダマンチルコハク酸無水物、エチルアダマンチル無水コハク酸無水物、クロレンド酸無水物、ブタンテトラカルボン酸二無水物、シクロブタンテトラカルボン酸二無水物、シクロペンタンテトラカルボン酸二無水物、シクロヘキサンテトラカルボン酸二無水物、1,2,4,5-シクロヘキサンテトラカルボン酸-1,2-無水物、及びこれらの混合物が挙げられる。これらの中では、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、テトラヒドロ無水フタル酸、メチルナジック酸無水物、ジヒドロメチルナジック酸無水物、及びこれらの混合物が好ましく、さらに好ましくはメチルヘキサヒドロ無水フタル酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、及びこれらの混合物が好ましい。
 前記エポキシ樹脂組成物には、本発明の効果を損なわない限り、カルボキシル基を有する有機化合物を配合してもよい。カルボキシル基を有する有機化合物の具体例としては、特に限定されないが、例えば、炭素数1~20のアルキル基が置換したカルボン酸、シクロプロパンカルボン酸、シクロブタンカルボン酸、シクロペンタンカルボン酸、シクロヘキサンカルボン酸、シクロヘプタンカルボン酸、シクロオクタンカルボン酸、アダマンタンカルボン酸、炭素数1~20のアルキル基が置換したシクロヘキサンカルボン酸、安息香酸、ナフタレンカルボン酸、テトラリンカルボン酸、デカリンカルボン酸、炭素数1~20のアルキル基が置換した芳香族カルボン酸、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸、サリチル酸、アセチルサリチル酸、シュウ酸、フマル酸、マレイン酸、リンゴ酸、酒石酸、アスコルビン酸、プロパン二酸、ブタン二酸、ペンタン二酸、ヘキサン二酸、ヘプタン二酸、オクタン二酸、ノナン二酸、デカン二酸、ドデカン二酸、シクロブタンジカルボン酸、シクロペンタンジカルボン酸、cis-シクロヘキサンジカルボン酸、trans-シクロヘキサンジカルボン酸、シクロヘキセンジカルボン酸、アダマンタンジカルボン酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、ナフタレンジカルボン酸、ビフェニルジカルボン酸、デカリンジカルボン酸、テトラリンジカルボン酸、1,2,4-ベンゼントリカルボン酸、1,3,5-ベンゼントリカルボン酸、1,2,4,5-ベンゼンテトラカルボン酸、1,2,4-シクロヘキサントリカルボン酸、1,2,4,5-シクロヘキサンテトラカルボン酸及びこれらの混合物が挙げられる。
 前記エポキシ樹脂組成物におけるエポキシ樹脂(A)と硬化剤(B)との配合割合は下記式(1)で表わされる配合当量比が0.4~1.2であることが好ましく、0.5~1.1であることがより好ましく、0.85~0.95であることがさらに好ましい。
 エポキシ樹脂(A)と硬化剤(B)との配合当量比=(X+Y)/Z   (1)
   X:硬化剤(B)中に含まれる酸無水物基の官能基数
   Y:硬化剤(B)中に含まれるカルボキシル基の官能基数
   Z:エポキシ樹脂(A)中に含まれるエポキシ基の官能基数
 前記エポキシ樹脂組成物は、硬化促進剤を添加することにより、速硬化性を付与することができる。硬化促進剤としては、特に限定されないが、例えば、ベンジルジメチルアミン、トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール、ジメチルシクロヘキシルアミン等の3級アミン類、1-シアノエチル-2-エチル-4-メチルイミダゾール、2-エチル-4-メチルイミダゾール、1-ベンジル-2-メチルイミダゾール等のイミダゾール類、トリフェニルホスフィン、亜リン酸トリフェニル等の有機リン系化合物、テトラフェニルホスホニウムブロマイド、テトラ-n-ブチルホスホニウムブロマイド等の4級ホスホニウム塩類、1,8-ジアザビシクロ[5.4.0]-7-ウンデセン等やその有機酸塩等のジアザビシクロアルケン類、オクチル酸亜鉛、オクチル酸錫やアルミニウムアセチルアセトン錯体等の有機金属化合物類、テトラエチルアンモニウムブロマイド、テトラブチルアンモニウムブロマイド、ベンジルトリフェニルホスホニウムブロマイド等の4級アンモニウム塩類、三弗化ホウ素、トリフェニルボレート等のホウ素化合物、塩化亜鉛、塩化第二錫等の金属ハロゲン化物が挙げられる。更には、硬化促進剤として、高融点イミダゾール化合物、ジシアンジアミド、アミンをエポキシ樹脂等に付加したアミン付加型促進剤等の高融点分散型潜在性促進剤、イミダゾール系、リン系、ホスフィン系促進剤の表面をポリマーで被覆したマイクロカプセル型潜在性促進剤、アミン塩型潜在性硬化促進剤、ルイス酸塩、ブレンステッド酸塩等の高温解離型の熱カチオン重合型の潜在性硬化促進剤等に代表される潜在性硬化促進剤も使用することができる。これらの中では、イミダゾール系硬化促進剤が好ましく、さらに好ましくは2-エチル-4-メチルイミダゾールである。
 前記エポキシ樹脂組成物には、充填材、可塑剤などの改質成分、希釈剤、揺変剤などの流動調整成分、顔料、レベリング剤、粘着付与剤、難燃剤、滑剤、摺動性改質剤、帯電防止剤、シランカップリング剤、イオントラップ剤、表面処理剤、シリコーンオイル、パラフィン、ワックス、各種ゴム、有機ポリマービーズ、耐衝撃性改良剤、界面活性剤、消泡剤、沈降防止剤、光拡散剤、シリカ、シリカゲル、シリカゾル、タルク、カーボンブラック、マイカ、酸化チタン、蛍光体、光拡散剤、紫外線吸収剤、酸化防止剤、離型剤、導電性充填剤、粘度調製用低粘度溶剤、炭酸ガス発生防止剤、短繊維、不織布、ナイロン6微粒子、ナイロン6-6微粒子、ナイロン11微粒子、ナイロン12微粒子、ナイロン6-10微粒子、ナイロン8-10微粒子、ナイロン9-10微粒子、ナイロン10-10微粒子、ナイロン6T微粒子、ナイロン6IT微粒子、ナイロン8T微粒子、ナイロン8IT微粒子、ナイロン9T微粒子、ナイロン9IT微粒子、ナイロン10T微粒子、ナイロン10IT微粒子、ナイロン12T微粒子、ナイロン12IT微粒子、熱可塑性ポリウレタン微粒子、熱硬化性ポリウレタン微粒子、熱可塑性エポキシ樹脂微粒子、熱硬化性エポキシ樹脂微粒子、ポリフェニレンスルフィド微粒子、ポリフェニレンスルホン微粒子、ポリエーテルスルホン微粒子、ポリエチレンテレフタレート微粒子、ポリブチレンテレフタレート微粒子、ポリアミドイミド微粒子、ポリイミド微粒子、ポリエーテルイミド微粒子、ポリ乳酸微粒子、シリコーン微粒子、メタ系アラミド微粒子、パラ系アラミド微粒子、ポリカーボネート微粒子、PMMA微粒子、ポリスチレン微粒子、ポリエーテルケトン微粒子、ポリエーテルエーテルケトン微粒子又はこれらの混合物を用途に応じて添加して用いることができる。
 前記エポキシ樹脂組成物は、2つ以上の成分、例えばエポキシ樹脂(A)と硬化剤(B)とを含む成分に分けて保存しておき、硬化前にこれらを調合してもよい。また、各成分を混合したエポキシ樹脂組成物として保存し、そのまま硬化に供してもよい。各成分を配合したエポキシ樹脂組成物として保存する場合には、低温(通常-40~-15℃)で保存することが好ましい。
 前記エポキシ樹脂組成物の硬化方法には、特に制限はなく、例えば、密閉式硬化炉、連続硬化が可能なトンネル炉、トランスファー成型機、プレス成型機、オートクレーブ成型機、射出成型機、金型等の従来公知の硬化装置を採用することができる。加熱は特に制約されることなく、例えば、熱風循環、赤外線加熱、高周波加熱、熱媒加熱等、従来公知の方法で行うことができる。硬化温度及び硬化時間は、80~250℃で30秒~10時間の範囲が好ましい。硬化物の内部応力を低減したい場合は、80~120℃、0.5~5時間の条件で前硬化した後、120~180℃、0.1~5時間の条件で後硬化することが好ましい。短時間硬化を目的とする場合は150~250℃、30秒~30分の条件で硬化することが好ましい。
 前記エポキシ樹脂組成物を硬化させた硬化物(エポキシ樹脂硬化物)は強化繊維(特に炭素繊維)と良好な接着性を有する。エポキシ樹脂硬化物と強化繊維との接着強度は45MPa以上が好ましく、より好ましくは50MPa以上であり、さらに好ましくは55MPaである。
 本実施形態の繊維強化複合材料で用いられる強化繊維としては、炭素繊維、アラミド繊維及びボロン繊維からなる群より選ばれる1種以上を含む。強化繊維としては、特に強度に優れていることから炭素繊維を使用することが好ましい。
 本実施形態の繊維強化複合材料におけるエポキシ樹脂硬化物と強化繊維との配合割合に特に制約はないが、エポキシ樹脂硬化物と強化繊維との配合質量比(硬化物:強化繊維)が80:20~20:80であることが好ましく、70:30~40:60がより好ましく、65:35~55:45がさらに好ましい。
 本実施形態の繊維強化複合材料には、充填材、可塑剤などの改質成分、希釈剤、揺変剤などの流動調整成分、顔料、レベリング剤、粘着付与剤、難燃剤、滑剤、摺動性改質剤、帯電防止剤、シランカップリング剤、イオントラップ剤、表面処理剤、シリコーンオイル、パラフィン、ワックス、各種ゴム、有機ポリマービーズ、耐衝撃性改良剤、界面活性剤、消泡剤、沈降防止剤、光拡散剤、シリカ、シリカゲル、シリカゾル、タルク、カーボンブラック、マイカ、酸化チタン、蛍光体、光拡散剤、紫外線吸収剤、酸化防止剤、離型剤、導電性充填剤、粘度調製用低粘度溶剤、炭酸ガス発生防止剤または、これらの混合物を用途に応じて添加して用いることができる。
 本実施形態の繊維強化複合材料の成型方法には、特に制限はなく、例えば、ハンドレイアップ成型、プリプレグ成型、フィラメントワインディング成型、シートワインディング成型、プルトリュージョン(引き抜き)成型、RTM(レジントランスファーモールド)成型、L-RTM成型、Va-RTM成型、インフュージョン成型、プレス成型、PCM成型、リキッドレイダウン成型、ダイ塗布成型、Surface-RTM成型を採用することができる。本実施形態の繊維強化複合材料の硬化方法には、特に制限はなく、例えば、密閉式硬化炉、連続硬化が可能なトンネル炉、金型等の従来公知の硬化装置を採用することができる。加熱は特に制約されることなく、例えば、熱風循環、赤外線加熱、高周波加熱、熱媒加熱等、従来公知の方法で行うことができる。硬化温度及び硬化時間は、80~250℃で30秒~10時間の範囲が好ましい。硬化物の内部応力を低減したい場合は、80~120℃、0.5~5時間の条件で前硬化した後、120~180℃、0.1~5時間の条件で後硬化することが好ましい。短時間硬化を目的とする場合は150~250℃、30秒~30分の条件で硬化することが好ましい。
 本実施形態の繊維強化複合材料は、航空機や宇宙衛星、産業機械、鉄道車両、船舶、自動車などの構造部材や外板などに好ましく用いられる。
 次に実施例により本発明を具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの実施例により何ら制限されるものではない。
 エポキシ樹脂組成物、その硬化物及び繊維強化複合材料の作製には以下の樹脂原料を使用した。
<エポキシ樹脂>
(1)「jER(登録商標)」828:三菱化学製、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、エポキシ当量186g/eq
(2)「セロキサイド(登録商標)」2021P:ダイセル製、3',4'-エポキシシクロヘキシルメチル-3,4-エポキシシクロヘキサンカルボキシレート、エポキシ当量134g/eq
(3)「jER(登録商標)」825:三菱化学製、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、エポキシ当量175g/eq
(4)「デナコール(登録商標)」EX-214:ナガセケムテックス製、1,4-ブタンジオールジグリシジルエーテル、エポキシ当量136g/eq
<酸無水物>
(1)「H-TMAn(登録商標)」:三菱ガス化学製、1,2,4-シクロヘキサントリカルボン酸-1,2-無水物
(2)「リカシッド(登録商標)」MH-700G:新日本理化製、4-メチルヘキサヒドロ無水フタル酸とヘキサヒドロ無水フタル酸との混合物
(3)HN-2200:日立化成製、3-メチル-1,2,3,6-テトラヒドロ無水フタル酸と4-メチル-1,2,3,6-テトラヒドロ無水フタル酸との混合物
(4)MHAC-P:日立化成製、3-メチル-3,6-エンドメチレン-1,2,3,6-テトラヒドロ無水フタル酸と4-メチル-3,6-エンドメチレン-1,2,3,6-テトラヒドロ無水フタル酸との混合物
<硬化促進剤>
(1)2-エチル-4-メチルイミダゾール:東京化成工業製
 粘度測定の方法は以下の通りである。
<粘度測定>
 後述の実施例及び比較例で得られた酸無水物系硬化剤の粘度をJIS Z8803(1991)に準拠した方法により測定した。東機産業社製のTVE-22H型を用い、ローター1°34'×R24もしくは3°×R7.7、サンプル量1cmとした。
 エポキシ樹脂組成物の硬化方法、物性評価の方法は以下の通りである。
<硬化物の作製>
 後述の実施例及び比較例で得られたエポキシ樹脂組成物をビーカー内で撹拌機にて混合し、エポキシ樹脂組成物中の溶存ガスを真空にて脱気した。その後エポキシ樹脂組成物を型に流し込み、100℃、3時間、前硬化を行い、さらに、150℃、2時間、後硬化を行い、硬化物を得た。
<硬化物の圧縮強度測定>
 後述の実施例及び比較例で得られた硬化物を、厚み4mm、幅10mm、長さ10mmの試験片とし、23℃、相対湿度50%にて1週間調湿し、JIS K7181に準拠した方法により、インストロン社製の万能材料試験機5582型を用い、23℃、相対湿度50%、試験速度1mm/minにて測定した。
<硬化物のガラス転移温度測定>
 後述の実施例及び比較例で得られた硬化物を、JIS K7121(1987)に準拠し、DSC法により、セイコーインスツル製DSC6200を用い、ガラス転移温度Tgを測定した。
<強化繊維と硬化物との接着強度測定>
 マイクロドロップレット法により、強化繊維と硬化物との接着強度を測定した。強化繊維として、三菱レイヨン製の炭素繊維「PYROFIL(登録商標)」TR-50S(直径0.0069mm)を用いた。
 まず、炭素繊維トウをピンセットにより解し、1本の炭素繊維を取り出した。取り出した炭素繊維にエポキシ樹脂組成物の液滴を付着させ、100℃、3時間、前硬化を行い、さらに、150℃、2時間、後硬化を行い、炭素繊維に付着した液滴を硬化させた。
 炭素繊維に付着した硬化物を23℃、50%相対湿度にて1週間調湿し、複合材界面特性評価装置を用いて、23℃、50%相対湿度にて、炭素繊維と硬化物との界面せん断応力を測定した。
 界面せん断応力をF[mN]、炭素繊維と硬化物との接着面の長さをL[mm]、炭素繊維の直径をR[mm]とすると、炭素繊維と硬化物との接着強度T[MPa]は以下の式により算出することができる。
 T=F/(1000RLπ)
 繊維強化複合材料の作製方法、物性評価の方法は以下の通りである。
<繊維強化複合材料の作製>
 ハンドレイアップ成型法により繊維強化複合材料を作製した。強化繊維基材として、東レ社製の炭素繊維織物「トレカ(登録商標)」クロスCO-6343(炭素繊維:T300-3K、織り組織:平織、目付:200g/m、厚み0.25mm)を用いた。
 まず、離型用セロファンフィルム(フタムラ化学社製PHT#400型)を貼り付けたガラス板(厚み10mm×幅400mm×長さ400mm)に強化繊維基材(幅300mm×長さ300mm)1枚をセットした。ビーカー内で撹拌機により混合し、真空にて脱気したエポキシ樹脂組成物を鉄ネジローラーにて強化繊維基材に塗布した。以後、強化繊維基材をセットする工程とエポキシ樹脂組成物を塗布する工程とを繰り返し、強化繊維基材を8枚積層した。該積層物の上部に離型用セロファンフィルムを貼り付けたガラス板を被せた。上下のガラス板の間に2mm厚のスペーサーを挟み込んだ。ガラス板の上に10kgのおもりを載せ、100℃、3時間、前硬化を行い、さらに、150℃、2時間、後硬化を行い、繊維強化複合材料を得た。
<繊維強化複合材料の圧縮強度測定>
 後述の実施例及び比較例で得られた繊維強化複合材料を、JIS K7076 A法(1991)に準拠し、島津製作所製「オートグラフ」AG100kNX(1級、1/1000保証型)を用い、圧縮強度を測定した。
<繊維強化複合材料の層間せん断強度測定>
 後述の実施例及び比較例で得られた繊維強化複合材料を、JIS K7078(1991)に準拠し、島津製作所製「オートグラフ」AG100kNX(1級、1/1000保証型)を用い、層間せん断強度を測定した。
<合成例1>
 リカシッドMH-700G 90gとH-TMAn 10gとを100℃にて、窒素雰囲気下で混合し、酸無水物系硬化剤Aを得た。
<合成例2>
 リカシッドMH-700G 85gとH-TMAn 15gとを100℃にて、窒素雰囲気下で混合し、酸無水物系硬化剤Bを得た。
<合成例3>
 リカシッドMH-700G 67gとH-TMAn 33gとを100℃にて、窒素雰囲気下で混合し、酸無水物系硬化剤Cを得た。
<合成例4>
 リカシッドMH-700G 50gとH-TMAn 50gとを100℃にて、窒素雰囲気下で混合し、酸無水物系硬化剤Dを得た。
<合成例5>
 リカシッドMH-700G 40gとH-TMAn 60gとを100℃にて、窒素雰囲気下で混合し、酸無水物系硬化剤Eを得た。
<合成例6>
 リカシッドMH-700G 20gとH-TMAn 80gとを100℃にて、窒素雰囲気下で混合し、酸無水物系硬化剤Fを得た。
<合成例7>
 リカシッドMH-700G 100gを100℃にて、窒素雰囲気下で撹拌し、酸無水物系硬化剤Gを得た。
<合成例8>
 リカシッドMH-700G 95gとH-TMAn 5gとを100℃にて、窒素雰囲気下で混合し、酸無水物系硬化剤Hを得た。
<合成例9>
 H-TMAn 100gを100℃にて、窒素雰囲気下で撹拌し、酸無水物系硬化剤Iを得た。
<合成例10>
 HN-2200 67gとH-TMAn 33gとを100℃にて、窒素雰囲気下で混合し、酸無水物系硬化剤Jを得た。
<合成例11>
 MHAC-P 67gとH-TMAn 33gとを100℃にて、窒素雰囲気下で混合し、酸無水物系硬化剤Kを得た。
<実施例1>
 jER828 100g、酸無水物系硬化剤A 74g、及び2-エチル-4-メチルイミダゾール 0.12gを混合し、エポキシ樹脂組成物Aを得た。エポキシ樹脂組成物Aを用いて、硬化物を作製し、物性を測定した。結果を表1に示す。また、エポキシ樹脂組成物Aを用いて、繊維強化複合材料(配合質量比(硬化物:強化繊維)=60:40)を作製し、物性を測定した。結果を表1に示す。
<実施例2>
 jER828 100g、酸無水物系硬化剤B 72g、及び2-エチル-4-メチルイミダゾール 0.12gを混合し、エポキシ樹脂組成物Bを得た。エポキシ樹脂組成物Bを用いて、硬化物を作製し、物性を測定した。結果を表1に示す。また、エポキシ樹脂組成物Bを用いて、繊維強化複合材料(配合質量比(硬化物:強化繊維)=60:40)を作製し、物性を測定した。結果を表1に示す。
<実施例3>
 jER828 100g、酸無水物系硬化剤C 65g、及び2-エチル-4-メチルイミダゾール 0.12gを混合し、エポキシ樹脂組成物Cを得た。エポキシ樹脂組成物Cを用いて、硬化物を作製し、物性を測定した。結果を表1に示す。また、エポキシ樹脂組成物Cを用いて、繊維強化複合材料(配合質量比(硬化物:強化繊維)=60:40)を作製し、物性を測定した。結果を表1に示す。
<実施例4>
 jER828 100g、酸無水物系硬化剤D 60g、及び2-エチル-4-メチルイミダゾール 0.12gを混合し、エポキシ樹脂組成物Dを得た。エポキシ樹脂組成物Dを用いて、硬化物を作製し、物性を測定した。結果を表1に示す。また、エポキシ樹脂組成物Dを用いて、繊維強化複合材料(配合質量比(硬化物:強化繊維)=60:40)を作製し、物性を測定した。結果を表1に示す。
<実施例5>
 jER828 100g、酸無水物系硬化剤E 57g、及び2-エチル-4-メチルイミダゾール 0.12gを混合し、エポキシ樹脂組成物Eを得た。エポキシ樹脂組成物Eを用いて、硬化物を作製し、物性を測定した。結果を表1に示す。また、エポキシ樹脂組成物Eを用いて、繊維強化複合材料(配合質量比(硬化物:強化繊維)=60:40)を作製し、物性を測定した。結果を表1に示す。
<実施例6>
 jER828 100g、酸無水物系硬化剤F 52g、及び2-エチル-4-メチルイミダゾール 0.12gを混合し、エポキシ樹脂組成物Fを得た。エポキシ樹脂組成物Fを用いて、硬化物を作製し、物性を測定した。結果を表1に示す。また、エポキシ樹脂組成物Fを用いて、繊維強化複合材料(配合質量比(硬化物:強化繊維)=60:40)を作製し、物性を測定した。結果を表1に示す。
<実施例7>
 セロキサイド2021P 100g、酸無水物系硬化剤A 103g、及び2-エチル-4-メチルイミダゾール0.16gを混合し、エポキシ樹脂組成物Gを得た。エポキシ樹脂組成物Gを用いて、硬化物を作製し、物性を測定した。結果を表1に示す。また、エポキシ樹脂組成物Gを用いて、繊維強化複合材料(配合質量比(硬化物:強化繊維)=60:40)を作製し、物性を測定した。結果を表1に示す。
<実施例8>
 セロキサイド2021P 100g、酸無水物系硬化剤C 90g、及び2-エチル-4-メチルイミダゾール 0.16gを混合し、エポキシ樹脂組成物Hを得た。エポキシ樹脂組成物Hを用いて、硬化物を作製し、物性を測定した。結果を表1に示す。また、エポキシ樹脂組成物Hを用いて、繊維強化複合材料(配合質量比(硬化物:強化繊維)=60:40)を作製し、物性を測定した。結果を表1に示す。
<実施例9>
 セロキサイド2021P 100g、酸無水物系硬化剤D 83g、及び2-エチル-4-メチルイミダゾール 0.16gを混合し、エポキシ樹脂組成物Iを得た。エポキシ樹脂組成物Iを用いて、硬化物を作製し、物性を測定した。また、エポキシ樹脂組成物Iを用いて、繊維強化複合材料(配合質量比(硬化物:強化繊維)=60:40)を作製し、物性を測定した。結果を表1に示す。
<実施例10>
 セロキサイド2021P 100g、酸無水物系硬化剤J 91g、及び2-エチル-4-メチルイミダゾール 0.16gを混合し、エポキシ樹脂組成物Jを得た。エポキシ樹脂組成物Jを用いて、繊維強化複合材料(配合質量比(硬化物:強化繊維)=60:40)を作製し、物性を測定した。結果を表2に示す。
<実施例11>
 セロキサイド2021P 100g、酸無水物系硬化剤K 95g、及び2-エチル-4-メチルイミダゾール 0.16gを混合し、エポキシ樹脂組成物Kを得た。エポキシ樹脂組成物Kを用いて、繊維強化複合材料(配合質量比(硬化物:強化繊維)=60:40)を作製し、物性を測定した。結果を表2に示す。
<実施例12>
 セロキサイド2021P 100g、及び酸無水物系硬化剤C 90gを混合し、エポキシ樹脂組成物Lを得た。エポキシ樹脂組成物Lを用いて、繊維強化複合材料(配合質量比(硬化物:強化繊維)=60:40)を作製し、物性を測定した。結果を表2に示す。
<実施例13>
 jER825 100g、酸無水物系硬化剤C 69g、及び2-エチル-4-メチルイミダゾール 0.13gを混合し、エポキシ樹脂組成物Mを得た。エポキシ樹脂組成物Mを用いて、硬化物を作製し、物性を測定した。また、エポキシ樹脂組成物Mを用いて、繊維強化複合材料(配合質量比(硬化物:強化繊維)=60:40)を作製し、物性を測定した。結果を表2に示す。
<実施例14>
 jER828 80g、デナコールEX-214 20g、酸無水物系硬化剤C 70g、及び2-エチル-4-メチルイミダゾール 0.13gを混合し、エポキシ樹脂組成物Nを得た。エポキシ樹脂組成物Nを用いて、硬化物を作製し、物性を測定した。また、エポキシ樹脂組成物Nを用いて、繊維強化複合材料(配合質量比(硬化物:強化繊維)=60:40)を作製し、物性を測定した。結果を表2に示す。
<実施例15>
 実施例8の繊維強化複合材料について、強化繊維基材をアラミド繊維織物(カネボウ製、K-281、織り組織:平織、目付:170g/m、厚み0.25mm)に変更し、物性を測定した。結果を表2に示す。
<実施例16>
 実施例8の繊維強化複合材料について、強化繊維基材を炭素繊維織物(東レ製、CO-6343、炭素繊維:T300-3K、織り組織:平織、目付:200g/m、厚み0.25mm)とガラス繊維織物(日東紡製、WF 230 100 BS6、織り組織:平織、目付:200g/m、厚み0.25mm)との交互積層に変更し、物性を測定した。結果を表2に示す。
<実施例17>
 セロキサイド2021P 100g、酸無水物系硬化剤C 90g、及び2-エチル-4-メチルイミダゾール 0.16g、ナイロン12微粒子(東レ製、SP-10) 19gを混合し、エポキシ樹脂組成物Oを得た。エポキシ樹脂組成物Oを用いて、繊維強化複合材料(配合質量比(硬化物:強化繊維)=60:40)を作製し、物性を測定した。結果を表2に示す。
<比較例1>
 jER828 100g、酸無水物系硬化剤G 79g、及び2-エチル-4-メチルイミダゾール 0.12gを混合し、エポキシ樹脂組成物Pを得た。エポキシ樹脂組成物Pを用いて、硬化物を作製し、物性を測定した。また、エポキシ樹脂組成物Pを用いて、繊維強化複合材料(配合質量比(硬化物:強化繊維)=60:40)を作製し、物性を測定した。結果を表1に示す。
<比較例2>
 jER828 100g、酸無水物系硬化剤H 77g、及び2-エチル-4-メチルイミダゾール 0.12gを混合し、エポキシ樹脂組成物Qを得た。エポキシ樹脂組成物Qを用いて、硬化物を作製し、物性を測定した。結果を表1に示す。また、エポキシ樹脂組成物Qを用いて、繊維強化複合材料(配合質量比(硬化物:強化繊維)=60:40)を作製し、物性を測定した。結果を表1に示す。
<比較例3>
 jER828 100g、酸無水物系硬化剤I 48g、及び2-エチル-4-メチルイミダゾール 0.12gを混合し、エポキシ樹脂組成物Rを得た。エポキシ樹脂組成物Rを用いて、硬化物を作製し、物性を測定した。結果を表1に示す。また、エポキシ樹脂組成物Rを用いて、繊維強化複合材料(配合質量比(硬化物:強化繊維)=60:40)を作製し、物性を測定した。結果を表1に示す。
<比較例4>
 セロキサイド2021P 100g、酸無水物系硬化剤G 110g、及び2-エチル-4-メチルイミダゾール 0.16gを混合し、エポキシ樹脂組成物Sを得た。エポキシ樹脂組成物Sを用いて、硬化物を作製し、物性を測定した。結果を表1に示す。また、エポキシ樹脂組成物Sを用いて、繊維強化複合材料(配合質量比(硬化物:強化繊維)=60:40)を作製し、物性を測定した。結果を表1に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002

Claims (4)

  1.  エポキシ樹脂組成物を硬化させたエポキシ樹脂硬化物と、強化繊維とを含んでなる繊維強化複合材料であって、該エポキシ樹脂組成物がエポキシ樹脂(A)及び硬化剤(B)を含み、該硬化剤(B)の10~80質量%が1,2,4-シクロヘキサントリカルボン酸-1,2-無水物であり、前記強化繊維が炭素繊維、アラミド繊維及びボロン繊維からなる群より選ばれる1種以上を含む、繊維強化複合材料。
  2.  前記強化繊維が炭素繊維である、請求項1に記載の繊維強化複合材料。
  3.  前記エポキシ樹脂硬化物と前記強化繊維との配合質量比(硬化物:強化繊維)が80:20~20:80である、請求項1又は2に記載の繊維強化複合材料。
  4.  前記硬化剤(B)がメチルヘキサヒドロ無水フタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、テトラヒドロ無水フタル酸、メチルナジック酸無水物及びジヒドロメチルナジック酸無水物からなる群より選ばれる1種以上を更に含む、請求項1~3のいずれか一項に記載の繊維強化複合材料。
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