WO2022163611A1 - エポキシ樹脂組成物、繊維強化複合材料およびその製造方法 - Google Patents

エポキシ樹脂組成物、繊維強化複合材料およびその製造方法 Download PDF

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WO2022163611A1
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epoxy resin
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resin composition
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mass
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平野公則
坂田宏明
小柳静恵
富岡伸之
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東レ株式会社
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    • C08J5/00Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/24Impregnating materials with prepolymers which can be polymerised in situ, e.g. manufacture of prepregs

Definitions

  • the present invention relates to an epoxy resin composition suitably used for aerospace parts, automobile parts, etc., a fiber-reinforced composite material using the same, and a method for producing the same.
  • Fiber-reinforced composite materials which consist of reinforcing fibers and matrix resins, can be designed to take advantage of the advantages of reinforcing fibers and matrix resins. .
  • thermosetting resins epoxy resins, unsaturated polyester resins, vinyl ester resins, phenol resins, bismaleimide resins, cyanate resins, etc. are used.
  • the prepreg method is a method in which a prepreg obtained by impregnating reinforcing fibers with an epoxy resin composition is laminated in a desired shape and heated to obtain a molded product.
  • this prepreg method is suitable for the production of fiber-reinforced composite materials with high material strength required for structural materials such as aircraft and automobiles, it requires many processes such as prepreg preparation and lamination.
  • the RTM method is a method in which a liquid epoxy resin composition is injected into a reinforcing fiber base material placed in a heated mold, impregnated, and heat-cured in the mold to obtain a molded product.
  • Each molding step of the RTM method includes a step of injecting and impregnating a reinforcing fiber base material placed in a heated mold with a liquid epoxy resin composition, and a step of injecting and impregnating the epoxy resin composition in the mold. It is divided into the steps of heating and curing an object to obtain a molded product, and demolding the molded product from the mold.
  • the epoxy resin composition In order to shorten the resin injection time into the reinforcing fiber base material, the epoxy resin composition should have a low viscosity so that the impregnation takes place in a short time, and the epoxy resin composition during injection should be kept until the reinforcing fiber base material is impregnated. It is necessary to keep the viscosity low during the period. Moreover, in order to shorten the heat curing time, it is required that the epoxy resin composition is sufficiently cured in a short time, and that high heat resistance is imparted so that the mold can be demolded smoothly.
  • an epoxy resin composition containing diaminodiphenylsulfone as a curing agent which has excellent impregnating properties, can be cured at a high speed at 180° C., and the resin is sufficiently cured during the demolding process after molding.
  • Patent Document 2 A technique has been proposed (Patent Document 2).
  • Patent Documents 4 and 5 a technique has been disclosed in which heat resistance and water resistance are excellent by using an epoxy resin composition for prepreg containing an epoxy resin having a dicyclopentadiene skeleton.
  • Patent Document 6 a technique for obtaining a molded article having a high glass transition temperature and less glass temperature drop due to water absorption by using an epoxy resin composition containing a polyglycidyl ether of a phenol aralkyl resin.
  • the resin composition has a high viscosity, so the epoxy resin is not added in the step of injecting and impregnating the liquid epoxy resin composition.
  • the impregnability of the composition is insufficient, and since it contains methylenebis(3-chloro-2,6-diethylaniline) (M-CDEA), which has low reactivity, the curability at high temperatures is low, and it can be used for a short time. There was a problem that sufficient high strength was not exhibited by heat curing. In addition, the mechanical properties under wet heat conditions were also insufficient.
  • the object of the present invention is to provide a resin having a low viscosity and excellent impregnating properties, a stable resin with a suppressed increase in viscosity at the injection temperature, a sufficient curing in a short time, and a sufficient amount of resin during the demolding process after molding.
  • An object of the present invention is to provide an epoxy resin composition which can be smoothly demolded by being cured and imparted with high heat resistance.
  • Another object of the present invention is to provide a fiber-reinforced composite material having excellent wet-heat mechanical properties and microcrack resistance.
  • the present invention has the following configuration in order to solve the above problems. That is, an epoxy resin composition containing the following component [A] and component [B] as an epoxy resin and the following component [C] and component [D] as a curing agent, wherein component [B] is all epoxy 10 parts by mass or more and 50 parts by mass or less per 100 parts by mass of the resin component, the curing agent is liquid at 23 ° C., and the total number of epoxy groups (E) contained in the epoxy resin and the amine compound contained in the curing agent is an epoxy resin composition having a ratio of H/E to the total number of active hydrogens (H) of 1.0 or more and 1.4 or less.
  • Epoxy resin having one or more glycidylamino groups [B] At least one epoxy resin selected from dicyclopentadiene type epoxy resin, phenol aralkyl type epoxy resin and naphthalene type epoxy resin [C] Liquid aromatic diamine [ D] Crystalline aromatic diamines.
  • the fiber-reinforced composite material of the present invention is a fiber-reinforced composite material containing a cured product of the epoxy resin composition and a reinforcing fiber base material.
  • the method for producing a fiber-reinforced composite material of the present invention comprises a main liquid containing the above-described components [A] and [B] as epoxy resins, and the above-described components [C] and [D] as curing agents. After mixing with a curing agent liquid that is liquid at 23 ° C., it is injected into a reinforcing fiber base material placed in a mold heated to 90 ° C. or higher and 130 ° C. or lower, impregnated, and heated to 160 ° C. in the mold. A method for producing a fiber-reinforced composite material that is cured at a temperature of 200° C.
  • the resin has a low viscosity and excellent impregnating properties, is stable with a suppressed increase in viscosity at the injection temperature, can be sufficiently cured in a short time, and is sufficiently cured during the demolding process after molding.
  • an epoxy resin composition that can be smoothly removed from the mold and that can provide a fiber-reinforced composite material having excellent mechanical properties in wet heat.
  • a fiber-reinforced composite material composed of such an epoxy resin composition and reinforcing fibers is excellent in wet heat mechanical properties and microcrack resistance, and thus can be suitably used for aerospace aircraft members, automobile members, and the like.
  • the component [A] used in the present invention is an epoxy resin having one or more glycidylamino groups, and is a necessary component for imparting high heat resistance and mechanical properties to cured resins and fiber-reinforced composite materials.
  • the epoxy resin having one or more glycidylamino groups of component [A] is an epoxy resin obtained by reacting various amines with epihalohydrin to epoxidize them. Specific examples include aminophenol type epoxy resins, tetraglycidyldiaminodiphenylmethane, diglycidylaniline, tetraglycidylxylenediamine, hexaglycidyltriaminobenzene, derivatives or isomers thereof, and the like. Also, as the component [A], two or more of these may be used in combination.
  • component [A1] and/or component [A2] are included as component [A].
  • Component [A1] is an epoxy resin having three or more epoxy groups and one or more glycidylamino groups, and is a component that tends to impart high heat resistance by having three or more epoxy groups.
  • Specific examples include aminophenol-type epoxy resins, tetraglycidyldiaminodiphenylmethane, tetraglycidylxylenediamine, hexaglycidyltriaminobenzene, and derivatives or isomers thereof.
  • Component [A2] is diglycidylaniline or a derivative thereof, and is a component that tends to impart high mechanical properties to cured resins and fiber-reinforced composite materials due to its structure. In particular, particularly high heat resistance and mechanical properties may be obtained by combining the component [A1] and the component [A2].
  • aminophenol-type epoxy resins Commercial products of aminophenol-type epoxy resins include “jER (registered trademark)” 630 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), “Araldite (registered trademark)” MY0500, “Araldite (registered trademark)” MY0510, “Araldite (registered trademark) “MY0600 (manufactured by Huntsman Japan Co., Ltd.), “Sumiepoxy (registered trademark)” ELM100, “Sumiepoxy (registered trademark)” ELM120 (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.), etc. be able to.
  • tetraglycidyldiaminodiphenylmethane Commercial products of tetraglycidyldiaminodiphenylmethane include "Sumiepoxy (registered trademark)” ELM434 (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.), YH434L (manufactured by Nippon Steel Chemical & Materials Co., Ltd.), “jER (registered trademark)” 604 (Mitsubishi Chemical Co., Ltd.), "Araldite (registered trademark)” MY720, “Araldite (registered trademark)” MY721 (both of which are manufactured by Huntsman Japan Co., Ltd.) and the like can be used.
  • GAN N,N-diglycidylaniline
  • GOT N,N-diglycidyl-o-toluidine
  • TOREP A- 204E N,N-diglycidyl-4-(phenoxy)aniline
  • the component [A] in the present invention is preferably contained in an amount of 50 parts by mass or more and 90 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the total epoxy resin component.
  • component [A] is contained in an amount of 50 parts by mass or more and 90 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of all epoxy resin components, the resin cured product tends to exhibit high heat resistance.
  • the component [A2] is contained in an amount of 20 parts by mass or more and 40 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the total epoxy resin component from the viewpoint of providing high elastic modulus, toughness and heat resistance.
  • Component [B] in the present invention is at least one epoxy resin selected from dicyclopentadiene type epoxy resins, phenol aralkyl type epoxy resins, and naphthalene type epoxy resins, and reduces the water absorption of cured resins and fiber-reinforced composite materials. It is a necessary component to give high mechanical properties under moist heat conditions.
  • the dicyclopentadiene-type epoxy resin of component [B] refers to an epoxy resin having a dicyclopentadiene skeleton represented by the following structural formula (1).
  • the phenol aralkyl type epoxy resin of the component [B] here refers to an epoxy resin having a phenol aralkyl skeleton represented by the following structural formula (2)
  • the naphthalene type epoxy resin is a direct glycidyl to naphthalene. It refers to epoxy resins to which ether groups and/or glycidylamino groups are attached.
  • component [B] dicyclopentadiene type epoxy resin in the present invention include "EPICLON” HP-7200L, "EPICLON” HP-7200, “EPICLON” HP-7200H, “EPICLON” HP-7200HHH (the above are DIC (manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.), XD-1000-L, XD-1000-2L (manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.), and "Tactix” 556 (manufactured by Huntsman).
  • Examples of commercially available phenol aralkyl epoxy resins include NC-3000 and NC-3000H having a biphenylene group (manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.).
  • Examples of commercially available naphthalene-type epoxy resins include "EPICLON” HP-4700, “EPICLON” HP-4710, “EPICLON” HP-4750, and “EPICLON” HP-4770 (manufactured by DIC Corporation). be able to.
  • As the component [B] two or more types of epoxy resins may be used in combination, or two or more types of dicyclopentadiene type epoxy resins may be used in combination.
  • a combination of the same kind is preferable because the viscosity of the resin can be controlled without impairing the resistance to heat and humidity. It is preferable to use a dicyclopentadiene type epoxy resin from the viewpoint of obtaining a lower water absorption rate and obtaining a high elastic modulus under high-temperature water absorption. A naphthalene type epoxy resin is preferable from the viewpoint of high heat resistance.
  • Component [B] in the present invention must be contained in an amount of 10 parts by mass or more and 50 parts by mass or less, preferably 30 parts by mass or more and 50 parts by mass or less, based on 100 parts by mass of the total epoxy resin component. . If component [B] is less than 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of all epoxy resin components, the mechanical properties of the cured resin product under wet heat conditions are insufficient, and if it is contained in excess of 50 parts by mass, the Insufficient impregnation to the reinforcing fiber base material.
  • An epoxy resin having a softening point of 50°C or higher and 110°C or lower is preferably used as the component [B] used in the present invention. More preferably, the softening point is 70°C or higher and 110°C or lower. More preferably, the softening point is 80°C or higher and 100°C or lower.
  • an epoxy resin having a softening point of 50° C. or more and 110° C. or less the crosslink density of the resin cured product is improved, and high heat resistance can be easily obtained.
  • the combination with component [A2] is preferable because high mechanical properties such as high toughness and elastic modulus can be obtained.
  • the softening point of the entire mixture of component [B] is within the above range, so that the above effect can be easily obtained.
  • an epoxy resin other than component [A] and component [B] may be included as an epoxy resin.
  • epoxy resins other than component [A] and component [B] include bisphenol type epoxy resins, phenol novolac type epoxy resins, cresol novolac type epoxy resins, resorcinol type epoxy resins, biphenyl type epoxy resins, and isocyanate modified epoxy resins. , tetraphenylethane type epoxy resin, triphenylmethane type epoxy resin, fluorene type epoxy resin, and the like.
  • the epoxy resin composition of the present invention provides the fiber-reinforced composite material with excellent heat resistance and mechanical strength while improving the impregnation of the reinforcing fiber base material.
  • the component [C] liquid aromatic diamine is an aromatic diamine that is liquid at 23°C and has crystallinity at 23°C [ D] It is an essential component for improving handleability by dissolving the crystalline aromatic diamine and treating the curing agent as a uniform liquid curing agent liquid at 23°C.
  • the uniformly dissolved state refers to a liquid state in which the component [D] has not reached the solubility at 23° C. and no solid component precipitates immediately after the component [D] is dissolved. Since this curing agent liquid retains its liquid state for a long time, it can be suitably used in a method for producing a fiber-reinforced composite material such as the RTM method.
  • liquid at 23°C means that the viscosity at 23°C is 1000 Pa ⁇ s or less.
  • the viscosity is measured according to JIS Z 8803: 1991 "Viscosity measurement method using a cone-plate rotary viscometer", equipped with a standard cone rotor (1 ° 34' ⁇ R24) E-type viscometer (for example, Toki Measured using TPE-100H manufactured by Sangyo Co., Ltd.
  • "having crystallinity at 23°C” means having a melting point at a temperature exceeding 23°C, becoming crystalline at 23°C, and having no fluidity.
  • the melting point can be determined by differential scanning calorimetry (DSC) according to JIS K 7121:2012. Temperature elevation measurement is performed on the crystalline component in a nitrogen atmosphere, and the apex temperature of the endothermic peak in the obtained DSC curve can be obtained as the melting point.
  • component [C] liquid aromatic diamine examples include m-xylylenediamine, diethyltoluenediamine, 4,4'-diamino-3,3'-diethyldiphenylmethane, and isomers thereof. C], two or more of these may be used in combination.
  • component [C1] diethyltoluene diamine and/or component [C2] 4,4′-diamino-3,3′-diethyldiphenylmethane as component [C] liquid aromatic diamine has a high glass transition temperature, It is preferable from the viewpoint of obtaining a cured epoxy resin having a high elastic modulus.
  • the viscosity of the epoxy resin composition can be reduced while maintaining various properties, and the viscosity stability when kept at high temperatures is immediately improved. It is also preferable from the viewpoint of impregnation into the fiber-reinforced base material.
  • diethyltoluene diamine Commercial products of such diethyltoluene diamine include "jER Cure (registered trademark)” W (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), “Lonza Cure (registered trademark)” DETDA80 (manufactured by Lonza Co., Ltd.), and the like.
  • jER Cure registered trademark
  • DETDA80 manufactured by Lonza Co., Ltd.
  • Kayahard (registered trademark)” AA (PT) manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.
  • the component [D] crystalline aromatic diamine has crystallinity at 25 ° C., but has low viscosity in a molten state, so that it is excellent in handleability and improves impregnation into the reinforcing fiber base material. It is a necessary component to give high mechanical properties to fiber reinforced composite materials. Specific examples include phenylenediamine, diaminodiphenylmethane, diaminodiphenylsulfone, diphenyl-p-dianiline, alkyl-substituted derivatives thereof, and isomers having different positions of amino groups. As the component [D], two or more of these may be used in combination. Among them, it is preferable to use diaminodiphenylmethane, diaminodiphenylsulfone, and derivatives and isomers thereof from the viewpoint of imparting high heat resistance and mechanical properties to the cured resin.
  • component [D1] 4,4'-methylenebis(2-isopropyl-6-methylaniline) is a high glass transition temperature, high elastic modulus epoxy resin curing It is preferable from the viewpoint of obtaining a product and having excellent curability.
  • the combination of component [C1] and/or component [C2] and component [D1] is preferably used because precipitation of solid components is less likely to occur even during long-term storage.
  • diaminodiphenylmethane and derivatives thereof include MDA-220 (manufactured by Mitsui Chemicals, Inc.), “Lonzacure (registered trademark)” M-MIPA, “Lonzacure (registered trademark)” M-DEA, “Lonzacure ( Registered trademark) "M-DIPA”, “Lonzacure (registered trademark)” M-CDEA (manufactured by Lonza Co., Ltd.), "Kayahard (registered trademark)” M-MIPA and the like.
  • diaminodiphenylsulfone and its isomers Commercial products of such diaminodiphenylsulfone and its isomers include 3,3′-DAS (manufactured by Mitsui Chemicals, Inc.) and Seikacure-S (4,4′-DDS, manufactured by Seika Co., Ltd.). be able to.
  • Component [D] in the present invention is preferably contained in an amount of 55 to 75 parts by mass, more preferably 60 to 70 parts by mass, based on 100 parts by mass of all components of the curing agent.
  • the component [D] is contained in an amount of 55 parts by mass or more and 75 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of all the components of the curing agent, the viscosity at the resin impregnation temperature during injection is sufficiently low, and the impregnation property becomes good. In addition, it is excellent in heat resistance and mechanical properties of cured resins and fiber-reinforced composite materials.
  • the epoxy resin composition of the present invention can also contain a curing agent component other than component [C] and component [D] as a curing agent.
  • the curing agent refers to a compound having an active group capable of reacting with an epoxy group to form a crosslinked structure with the epoxy resin.
  • curing agents other than component [C] and component [D] include aliphatic diamine curing agents such as hexamethylenediamine, 1,3-pentanediamine and 2-methylpentamethylenediamine, isophoronediamine, 4,4 Alicyclic diamine curing such as '-methylenebiscyclohexylamine, 4,4'-methylenebis(2-methylcyclohexylamine), bis(aminomethyl)norbornane, 1,2-cyclohexanediamine, 1,3-bisaminomethylcyclohexane agents, and the like. These curing agents may be used singly or in combination.
  • the epoxy resin composition of the present invention may contain other components such as curing accelerators, plasticizers, dyes, pigments, inorganic fillers, antioxidants, ultraviolet absorbers, coupling agents, surfactants, etc., if necessary. can include
  • H/E which is the ratio of the total number of epoxy groups (E) contained in the epoxy resin to the total number (H) of active hydrogens of the amine compound contained in the curing agent, is 1.0 or more and 1.4 or less. , 1.0 or more and 1.3 or less.
  • H/E is 1.0 or more, it is considered that the number of cross-linking points decreases, but high toughness is easily obtained. Within this range, the heat resistance and toughness are likely to be kept at a good level.
  • H/E is less than 1.0, the toughness of the cured resin is insufficient, and when it exceeds 1.4, the heat resistance is insufficient.
  • the epoxy resin composition of the present invention contains, as component [E], core-shell rubber particles containing an epoxy group in the shell portion and having a volume average particle diameter within the range of 50 nm or more and 300 nm or less.
  • the core-shell rubber particles are excellent in that they impart high toughness to the fiber-reinforced composite material and have the effect of improving impact resistance and suppressing the occurrence of microcracks, which will be described later.
  • core-shell rubber particles are particles in which a particulate core part mainly composed of a polymer such as crosslinked rubber is coated with a polymer different from the core part by a method such as graft polymerization to partially or wholly coat the core surface.
  • a polymer polymerized from one or more selected from conjugated diene-based monomers, acrylic acid ester-based monomers, and methacrylic acid ester-based monomers, silicone resin, or the like can be used.
  • conjugated diene-based monomers acrylic acid ester-based monomers, and methacrylic acid ester-based monomers, silicone resin, or the like
  • Specific examples include butadiene, isoprene, and chloroprene, and a crosslinked polymer composed of one or more of these is preferred.
  • butadiene as the conjugated diene-based monomer, that is, a polymer polymerized from a monomer containing butadiene as a core component, because the resulting polymer has good properties and is easy to polymerize. .
  • the shell component that constitutes the core-shell rubber particles is preferably graft-polymerized to the core component described above and chemically bonded to the polymer particles that constitute the core component.
  • a component constituting such a shell component is, for example, a polymer polymerized from one or more selected from (meth)acrylic acid esters, aromatic vinyl compounds, and the like.
  • the shell component preferably has a functional group that reacts with the component contained in the epoxy resin composition of the present invention, that is, the epoxy resin or its curing agent component. When such a functional group is introduced, the affinity with the epoxy resin is improved, and finally it can be incorporated into the cured product by reacting with the epoxy resin composition, resulting in good dispersion.
  • Such functional groups include, for example, hydroxyl groups, carboxyl groups, and epoxy groups.
  • a method of introducing such a functional group into the shell portion one or a plurality of components such as acrylic acid esters and methacrylic acid esters containing such a functional group are applied to the core surface as a partial component of the monomer. A method such as graft polymerization can be used.
  • the core-shell rubber particles of component [E] of the present invention preferably have a volume average particle diameter of 50 nm or more and 300 nm or less, more preferably 50 nm or more and 150 nm or less.
  • the volume average particle diameter can be measured using a Nanotrack particle size distribution analyzer (manufactured by Nikkiso Co., Ltd., dynamic light scattering method). If the measurement cannot be performed by the above method, such as when powder or dispersion cannot be obtained, a thin section of the cured product prepared with a microtome is observed with a TEM, and the volume average particle size is calculated using image processing software from the obtained TEM image. may be measured. In this case, it is necessary to use an average value of at least 100 particles.
  • the volume average particle diameter is 50 nm or more, the specific surface area of the core-shell rubber particles is moderately small, which is advantageous in terms of energy, so aggregation is less likely to occur and the effect of improving toughness is high.
  • the volume average particle size is 300 nm or less, the distance between the core-shell rubber particles is moderately small, and the effect of improving toughness is high.
  • core-shell rubber particles there are no particular restrictions on the method of manufacturing the core-shell rubber particles, and those manufactured by known methods can be used.
  • Commercially available core-shell rubber particles include, for example, "Paraloid (registered trademark)” EXL-2655 (manufactured by Dow Chemical Co., Ltd.) composed of a butadiene/alkyl methacrylate/styrene copolymer, and acrylic acid ester/methacrylic acid ester copolymer.
  • Staphyloid composed of coalescence AC-3355, TR-2122 (manufactured by Aica Kogyo Co., Ltd.), "PARALOID (registered trademark)” composed of butyl acrylate/methyl methacrylate copolymer EXL -2611, EXL-3387 (manufactured by Dow Chemical Co.) and the like can be used.
  • a core layer of a glassy polymer having a glass transition temperature of room temperature or higher such as Staphyloid IM-601 and IM-602 (manufactured by Aica Kogyo Co., Ltd.) is covered with an intermediate layer of a rubbery polymer having a low Tg
  • core-shell rubber particles having a three-layer structure covered with a shell layer can also be used.
  • these core-shell rubber particles are taken out as a lump and pulverized to be treated as powder, and the powdery core-shell rubber is often dispersed again in the thermosetting resin composition.
  • this method has the problem that it is difficult to stably disperse the particles in a non-aggregated state, that is, in the state of primary particles.
  • core-shell rubber particles should not be taken out in bulk form from the production process of core-shell rubber particles, but should be finally handled in the form of a masterbatch in which primary particles are dispersed in one component of a thermosetting resin, such as an epoxy resin.
  • a preferable dispersion state can be obtained by using a material capable of Such core-shell rubber particles that can be handled in a masterbatch state can be produced, for example, by the method described in JP-A-2004-315572.
  • a suspension in which core-shell rubber particles are dispersed is obtained by polymerizing core-shell rubber in an aqueous medium represented by emulsion polymerization, dispersion polymerization, and suspension polymerization.
  • the suspension is mixed with an organic solvent partially soluble in water, such as a ketone solvent such as acetone or methyl ethyl ketone, or an ether solvent such as tetrahydrofuran or dioxane, and then mixed with a water-soluble electrolyte such as sodium chloride or chloride.
  • An organic solvent layer and an aqueous layer are phase-separated by contacting with potassium, and an organic solvent in which core-shell rubber particles are dispersed is obtained by separating and removing the aqueous layer. Then, after mixing the epoxy resin, the organic solvent is removed by evaporation to obtain a masterbatch in which the core-shell rubber particles are dispersed in the epoxy resin in the form of primary particles.
  • a masterbatch in which the core-shell rubber particles are dispersed in the epoxy resin in the form of primary particles.
  • Kane Ace registered trademark
  • the content of the core-shell rubber particles is preferably 1 part by mass or more and 10 parts by mass or less, more preferably 1 part by mass or more and 8 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the total epoxy resin component.
  • the amount is 1 part by mass or more, a cured resin product with high toughness is obtained, and when the amount is 10 parts by mass or less, a cured product with a high elastic modulus is obtained, and the core-shell rubber particles have good dispersibility in the resin. Therefore, it is preferable.
  • a generally used dispersion method can be used. For example, a method using a triple roll, a ball mill, a bead mill, a jet mill, a homogenizer, a rotation/revolution mixer, or the like can be mentioned. Also, a method of mixing the core-shell rubber particle-dispersed epoxy masterbatch described above can be preferably used. However, even if the particles are dispersed in the state of primary particles, reaggregation may occur due to excessive heating or reduction in viscosity.
  • the temperature/viscosity within a range in which the core-shell rubber particles do not reaggregate.
  • the viscosity of the composition may decrease and aggregation may occur, so it is preferable to knead at a temperature lower than that.
  • the temperature can exceed 150° C. because reaggregation is prevented due to gelation during the temperature rise.
  • (unit: mPa s) is the resin viscosity after 30 minutes at a constant temperature of 110°C after mixing the main agent and the curing agent, which is obtained by isothermal measurement using an E-type viscometer. is preferably 1 ⁇ 50.
  • the viscosity after 30 minutes at a constant temperature of 110° C. after mixing the main agent and the curing agent is preferably 1 ⁇ 50 mPa ⁇ s.
  • an E-type viscometer equipped with a standard cone rotor (1 ° 34' x R24) (Toki Sangyo ( TPE-100H manufactured by Co., Ltd. can be used for measurement at a rotational speed of 50 rpm.
  • the glass transition temperature Tg of the product is preferably 160°C or higher and 190°C or lower.
  • the heat resistance of the fiber-reinforced composite material depends on the glass transition temperature of the cured epoxy resin composition obtained by curing the epoxy resin composition. By setting the temperature to 190° C. or less, curing shrinkage of the epoxy resin composition can be suppressed, and deterioration of the surface quality of the fiber-reinforced composite material caused by the difference in thermal expansion between the epoxy resin composition and the reinforcing fibers can be prevented. .
  • the glass transition temperature of the cured resin obtained by curing the epoxy resin composition is obtained by measurement using a dynamic viscoelasticity measurement (DMA) device. That is, using a rectangular test piece cut out from a cured resin plate, DMA measurement is performed under elevated temperature, and the temperature at the inflection point of the obtained storage elastic modulus G' is defined as Tg. Measurement conditions are as described later in Examples.
  • DMA dynamic viscoelasticity measurement
  • the fiber-reinforced composite material of the present invention is obtained by injecting an epoxy resin composition containing an epoxy resin and a curing agent into a reinforcing fiber base material placed in a heated mold, impregnating it, and curing it in the mold.
  • the RTM method is preferably used from the viewpoint of productivity and the degree of freedom in the shape of the resulting molded product.
  • a mold having a plurality of injection ports is used, and the epoxy resin composition is injected from the plurality of injection ports at the same time or sequentially with a time lag.
  • thermoplastic resins and thermosetting resins can be used as hot-melt binders.
  • thermoplastic resins include resins such as polyamide, polysulfone, polyetherimide, polyphenylene ether, polyimide and polyamideimide.
  • Thermosetting resins include, for example, epoxy resins, vinyl ester resins, unsaturated polyester resins, and phenol resins.
  • the form of the binder is not particularly limited, but forms such as films, tapes, long fibers, short fibers, spun yarns, woven fabrics, knitted fabrics, non-woven fabrics, nets, and particles can be employed. Among them, a particle form or a non-woven fabric can be used particularly preferably.
  • binder particles When the binder is in the form of particles, it is called binder particles, and when the binder is nonwoven fabric, it is called binder nonwoven fabric.
  • the average particle size is preferably 10 ⁇ m or more and 500 ⁇ m or less.
  • the average particle size refers to the median size, and the average particle size of the binder particles can be measured using, for example, a laser diffraction particle size distribution analyzer. If the average particle size is less than 10 ⁇ m, the adhesive strength and workability of the preform may be lowered. From this point of view, the average particle size is more preferably 30 ⁇ m or more. If the average particle size is larger than 500 ⁇ m, the reinforcing fibers may undulate when formed into a preform, and the resulting fiber-reinforced composite material may have reduced mechanical properties. From this point of view, the average particle size is more preferably 300 ⁇ m or less.
  • the average diameter is preferably 10 ⁇ m or more and 300 ⁇ m or less.
  • the average diameter is obtained by observing the cross section of the binder nonwoven fabric with a scanning electron microscope, measuring the diameter of 100 arbitrarily selected fibers, and calculating the average value. If the cross-sectional shape of the fiber is not perfectly circular, the minor axis is measured as its diameter. If the average diameter is smaller than 10 ⁇ m, the adhesive strength of the preform may decrease. If the average diameter is larger than 300 ⁇ m, the reinforcing fibers of the preform may undulate, and the resulting fiber-reinforced composite material may have reduced mechanical properties. From this point of view, the average diameter is more preferably 100 ⁇ m or less.
  • the binder is attached to at least the surface of the reinforcing fiber base material and used as a reinforcing fiber base material with a binder. Further, the binder-attached reinforcing fiber base material has at least the above-described binder on its surface, and is used for a preform.
  • the amount of the binder attached to one side or both sides is preferably 0.5 g/m 2 or more and 30 g/m 2 or less, and 1 g/m 2 or more and 10 g per side. /m 2 or less is more preferable. If the adhesion amount is less than 0.5 g/m 2 , it may become difficult to fix the shape of the preform. sometimes.
  • the binder when a non-woven fabric is used as the form of the binder, it is possible to arrange the binder uniformly on the base material, so that the impregnation flow path of the matrix resin is secured, and the impregnation is particularly excellent, and voids are extremely unlikely to occur. Furthermore, even if the amount of binder adhered is smaller than in the case of a particle form, the effect of fixing the shape when made into a preform can be maintained at the same level, and when made into a fiber reinforced composite material, the matrix resin inherently has a high It is preferable because heat resistance and mechanical properties can be expressed.
  • the preform is obtained by laminating the binder-attached reinforcing fiber base material having at least the binder on the surface and fixing the shape.
  • a binder is attached to at least the surface of at least one surface of the reinforcing fiber base material by heating to form a binder-attached reinforcing fiber base material, and then a plurality of such reinforcing fiber base materials are laminated to obtain a laminate having a binder at least between the laminated layers. .
  • the preform is heated and cooled so that the binder adheres between the base layers to fix the shape, thereby obtaining a preform having the binder at least between the laminated layers.
  • a preform can be produced by cutting a binder-attached reinforcing fiber base material to a predetermined shape, laminating it on a mold, and applying appropriate heat and pressure.
  • a press can be used as a means of pressurization, or a method of covering with a vacuum bag film, sucking the inside with a vacuum pump and pressurizing with atmospheric pressure can also be used.
  • the fiber volume content of the reinforcing fibers is preferably within the range of 45% or more and 70% or less, more preferably within the range of 50% or more and 65% or less.
  • the fiber reinforcement has a high elastic modulus and an excellent weight reduction effect, does not decrease strength due to friction between reinforcing fibers, and has excellent mechanical properties such as tensile strength. A composite material is obtained.
  • the gelation of the epoxy resin composition means that the reaction between the epoxy resin and the curing agent in the resin progresses and the fluidity is lost.
  • Dynamic viscoelasticity measurement of the epoxy resin composition at a predetermined temperature was performed using a measuring device, and the complex viscosity obtained from the torque increase accompanying the progress of the curing reaction reached 1.0 ⁇ 10 5 Pa s. The temperature is taken as the gelation temperature.
  • the binder in the form of non-woven fabric When the binder in the form of non-woven fabric is heated to a temperature above the melting point, the entanglement of the polymer molecular chains forming the binder becomes loose. If there is an ungelled epoxy resin composition around this, the epoxy resin composition will enter the gaps between the loosened polymer molecular chains, and in that state, the epoxy resin will harden through gelation, and the resin and polymer molecules will form. It is preferable because the chains are entangled to improve the interfacial adhesive strength, and the impact resistance and microcrack resistance may be improved.
  • the non-woven fabric binder used in the fiber-reinforced composite material of the present invention is preferably made of polyamide having a melting point of 165°C or higher and 180°C or lower.
  • the melting point of the polyamide is 165°C or higher, the shape can be maintained at the time of curing, a uniform interlayer thickness that allows sufficient plastic deformation can be secured, and cracks can be efficiently blocked because the nonwoven fabric is a continuous phase. It is preferable because it can be formed and impact resistance is expressed.
  • the melting point of the polyamide is 180° C.
  • the polyamide begins to melt at a temperature lower than the gelling temperature of the epoxy resin composition, so the epoxy resin composition enters the gaps between the loosened polyamide molecular chains, and the epoxy resin is released in this state.
  • Curing through gelation is preferable because the resin and the polyamide molecular chains are entangled to improve the interfacial adhesion strength and improve the impact resistance and microcrack resistance.
  • the reinforcing fibers in the present invention are not particularly limited, but include glass fibers, carbon fibers, graphite fibers, aramid fibers, boron fibers, alumina fibers, silicon carbide fibers, and the like. Two or more kinds of these reinforcing fibers may be mixed and used. Among them, it is preferable to use carbon fiber or graphite fiber in order to obtain a fiber-reinforced composite material that is lighter in weight and has higher durability. In particular, carbon fibers are preferably used in applications where there is a strong demand for lightweight materials and high strength materials because of their excellent specific elastic modulus and specific strength.
  • carbon fibers having a tensile modulus of elasticity of at most 400 GPa are preferred from the standpoint of impact resistance.
  • carbon fibers having a tensile strength of 4.4 GPa or more and 6.5 GPa or less are preferable because a composite material having high rigidity and mechanical strength can be obtained.
  • Tensile elongation is also an important factor, and a high-strength, high-elongation carbon fiber of 1.7% or more and 2.3% or less is preferable.
  • Carbon fibers having the combined properties of a tensile modulus of at least 230 GPa, a tensile strength of at least 4.4 GPa and a tensile elongation of at least 1.7% are therefore most suitable.
  • Carbon fibers include “Torayca (registered trademark)” T800G-24K, “Torayca (registered trademark)” T800S-24K, “Torayca (registered trademark)” T700G-24K, “Torayca (registered trademark)” T300- 3K, and “Torayca (registered trademark)” T700S-12K (manufactured by Toray Industries, Inc.).
  • the fiber-reinforced composite material in the present invention includes a cured epoxy resin composition and a reinforcing fiber base material.
  • a reinforcing fiber base material such as a woven fabric, a knitted fabric, or a mat is combined.
  • Fiber-reinforced composite materials are required to have high heat resistance and mechanical properties, especially when used in the field of aircraft.
  • the fiber-reinforced composite material of the present invention has excellent heat resistance and reflects the high mechanical properties of the epoxy resin cured product, so it has a high compressive strength in wet heat, 1100 MPa or more, more preferably 1200 MPa or more. , high wet heat 0° compressive strength.
  • the post-impact compressive strength is preferably 260 MPa or more, more preferably 265 MPa or more, so that a high post-impact compressive strength can be exhibited.
  • microcracks are minute cracks of about several tens of ⁇ m that may occur in fiber reinforced composite materials used in aircraft applications, It is known that it is likely to occur when repeatedly exposed to an environment where temperature changes are repeated.
  • the matrix resin in the fiber-reinforced composite material is exposed to an atmosphere with a high temperature of about 70°C to a low temperature of about -50°C, the matrix resin itself tries to shrink, but it is surrounded by reinforcing fibers that hardly shrink.
  • tensile stress thermal residual stress
  • a width of 25 mm was cut from a region ⁇ 10 mm from the center of the test piece in the longitudinal direction, the cut surface was polished as an observation surface, and a commercially available microscope was used to magnify 200 times. It is obtained by observing the observed surface at a magnification and measuring the number of cracks occurring.
  • the environmental exposure in the constant temperature and humidity chamber and the cycle in the environmental tester are defined as one block, and the cycle is repeated for 5 blocks.
  • the number of microcracks observed by the above method is preferably 5 or less, more preferably 3 or less.
  • Specific examples of the method for producing a fiber-reinforced composite material using the epoxy resin composition of the present invention include a liquid composite molding method, a resin film infusion method, a filament winding method, a hand layup method, and a pultrusion method. , prepreg method, and the like.
  • the liquid composite molding method is a so-called preform made of reinforcing fibers, that is, a sheet-shaped or three-dimensionally curved fabric, mat, etc. 2) A method of injecting a liquid epoxy resin composition and then curing the epoxy resin composition to obtain a fiber-reinforced composite material.
  • This manufacturing method is a molding method that is frequently used because it is capable of molding a member having a complicated shape and has good productivity.
  • This manufacturing method includes the RTM method, the SRIM (Structural Reaction Injection Molding) method, the VaRTM (Vacuum-assisted Resin Transfer Molding) method, the SCRIMP (Seeman's Composite Resin Infusion Molding Process) method, described in 27050-5 of the special table 27050.
  • CAPRI Controlled Atmospheric Pressure Resin Infusion
  • the filament winding method is a method in which a reinforcing fiber bundle is impregnated with an epoxy resin composition, wound around a metal core, and then the epoxy resin composition is cured to form a fiber-reinforced composite material.
  • This manufacturing method is a frequently used molding method because it can easily mold a cylindrical member and has good productivity.
  • a preform made of reinforcing fibers is impregnated with a necessary and sufficient amount of an epoxy resin composition by a roller, and then the epoxy resin composition is cured to form a fiber-reinforced composite material.
  • the pultrusion method involves impregnating a reinforcing fiber bundle with an epoxy resin composition, passing the reinforcing fiber bundle through a heated mold to harden the epoxy resin composition, and then pulling out the molded body using a take-off machine. , a method of making a fiber-reinforced composite material. Since the pultrusion method uses continuous reinforcing fibers, it is easy to obtain a fiber-reinforced composite material with high strength and high rigidity.
  • the epoxy resin composition of the present invention is suitably used for the liquid composite molding method, especially for the RTM method, from the viewpoint of efficiently obtaining a fiber-reinforced composite material with a complicated shape. is preferred.
  • a fiber base material or preform made of reinforcing fibers is placed in a mold, a liquid matrix resin is injected into the mold to impregnate the reinforcing fibers, and then heated to heat the epoxy resin.
  • This is a method of curing a composition to obtain a fiber-reinforced composite material as a molded article.
  • the method for producing a fiber-reinforced composite material of the present invention relates to such RTM method.
  • a curing agent liquid that contains the following components [C] and [D] as curing agents and is liquid at 23 ° C.
  • component [B] is contained in an amount of 10 parts by mass or more and 50 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the total epoxy resin component, and the total number of epoxy groups contained in the epoxy resin (E) and in the curing agent
  • H/E which is a ratio of the total number of active hydrogens (H) of an amine compound contained
  • Epoxy resin having one or more glycidylamino groups [B] At least one epoxy resin selected from dicyclopentadiene type epoxy resin, phenol aralkyl type epoxy resin, and naphthalene type epoxy resin [C] Liquid aromatic diamine [D] Crystalline aromatic diamine
  • the mold used in the production method of the present invention may be a closed mold made of a rigid material, or an open mold made of a rigid material and a flexible film (bag) may be used. be. In the latter case, the reinforcing fiber substrate can be placed between an open mold of rigid material and the flexible film.
  • rigid materials various existing materials such as metals such as steel and aluminum, fiber reinforced plastics (FRP), wood, and gypsum are used. Polyamide, polyimide, polyester, fluororesin, silicone resin, or the like is used as the material of the flexible film.
  • a suction port may be provided separately from the injection port and connected to a vacuum pump for suction. It is also possible to apply suction and inject the epoxy resin composition only at atmospheric pressure without using special pressurizing means. This method can be preferably used because a large-sized member can be manufactured by providing a plurality of suction ports.
  • the VaRTM method is usually used in which suction is performed and epoxy resin is injected only at atmospheric pressure without using special pressurizing means.
  • Methods of adjusting the injection pressure to below atmospheric pressure are also possible, such as the CAPRI method cited in WO 01/41993A2.
  • the inside of the mold means the inside of the cavity formed by the closed mold. "Inside" means the space sandwiched between the open mold and the flexible film.
  • foam cores honeycomb cores, metal parts, etc.
  • metal parts etc.
  • sandwich structures obtained by arranging reinforcing fibers on both sides of a foam core or honeycomb core and molding them are useful because they are lightweight and have high bending rigidity.
  • the epoxy resin composition of the present invention can be prepared by pouring a single liquid obtained by mixing all components in a batch into a mold from a single container, or by storing the main component liquid and the curing agent liquid in separate containers and using a mixer.
  • the main liquid and the hardener liquid are stored in separate containers, sent to another container via a mixer, and injected into the mold from the separate container at atmospheric pressure. is also possible.
  • the mixture obtained by mixing the main liquid and the curing agent liquid can also be in a low-viscosity liquid state, and can be easily impregnated into the reinforcing fibers. Become.
  • the epoxy main agent liquid and the curing agent liquid are stored separately, long-term storage is possible without any particular limitation on the storage conditions.
  • both the epoxy resin composition container and the mold are kept at a constant temperature in the resin injection process.
  • the temperature of the mold in the injection step that is, the injection temperature, is in the range of 90° C. or higher and 130° C. or lower, based on the relationship between the initial viscosity of the epoxy resin composition and the viscosity increase, from the viewpoint of improving the impregnation of the reinforcing fiber base material. A selected temperature is preferred.
  • Heat curing in the mold is done by maintaining the temperature of the mold at the time of injection for a certain period of time, raising the temperature to the maximum curing temperature and holding it for a certain period of time to cure, the temperature of the mold at the time of injection and the maximum curing temperature. The temperature is raised to an intermediate temperature, held for a certain period of time, then raised again, and after reaching the maximum curing temperature, held for a certain period of time for curing.
  • the holding time of the highest curing temperature in curing in the mold is preferably 15 minutes or more and 2 hours or less, more preferably 15 minutes or more and 90 minutes or less.
  • the after-curing time is preferably 15 minutes or more and 2 hours or less, more preferably 15 minutes or more and 1 hour or less.
  • the temperature is raised to the maximum hardening temperature and held for a certain period of time to harden, the main liquid and the hardener are mixed at a temperature of 90°C or higher and 130°C or lower.
  • the temperature of the mold in the injection step that is, the injection temperature, is 90° C. or more and 130° C. based on the relationship between the initial viscosity of the epoxy resin composition and the viscosity increase, from the viewpoint of improving the impregnation of the reinforcing fiber base material. It is preferable that the temperature is selected from the range of 160° C. or higher and 200° C. or lower in the molding die.
  • the injection pressure of the epoxy resin composition is usually 0.1 MPa or more and 1.0 MPa or less, and the VaRTM method in which the resin composition is injected by vacuum-sucking the inside of the mold can also be used.
  • 0.1 MPa or more and 0.6 MPa is preferable from the viewpoint of the injection time and the economic efficiency of the equipment.
  • the volatilization amount of the epoxy resin composition of the present invention after exposure at 110° C. and 0.1 MPa for 60 minutes is preferably 1% or less, preferably 0.5% or less. more preferred.
  • the fiber-reinforced composite material of the present invention has excellent mechanical properties, wet heat compressive strength, impact resistance, and microcrack resistance, it can be used for fuselages, main wings, tail wings, rotor blades, fairings, cowls, doors, seats, interior materials, etc.
  • NC-3000H (phenol aralkyl type epoxy resin, epoxy equivalent 290 g / eq, softening point 70 ° C., manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.)
  • EPICLON HP-4770 (naphthalene type epoxy resin, epoxy equivalent 204 g / eq, softening point 72 ° C., manufactured by DIC Corporation)
  • NC-3000 (phenol aralkyl type epoxy resin, epoxy equivalent 275 g/eq, softening point 58°C, manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.).
  • Curing agent component [C] liquid aromatic diamine component [C1]: diethyltoluenediamine, “jER Cure (registered trademark)” W (2,4-diethyl-6-methyl-m-phenylenediamine and 4, A mixture containing 6-diethyl-2-methyl-m-phenylenediamine as a main component, active hydrogen equivalent: 45 g/mol, liquid, manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation)
  • An epoxy resin composition was prepared by mixing the main liquid and the curing agent after preparing a main liquid consisting of an epoxy resin in which each component was mixed at the content ratio shown in the table and a curing agent liquid.
  • main component liquid and the curing agent liquid did not uniformly dissolve at 23° C., they were prepared by heating and mixing above the softening point or melting point of the contained components.
  • a binder was produced according to the following manufacturing method. Fibers of PA-1 (crystalline polyamide, melting point: 170°C) discharged from a nozzle provided with one orifice are stretched using an aspirator provided with an impact plate at the tip and compressed air, and then formed into a wire mesh. dispersed and collected. The fiber sheet collected on the wire mesh was thermally bonded using a hot press to prepare a non-woven fabric binder.
  • PA-1 crystalline polyamide, melting point: 170°C
  • the resulting binder was a carbon fiber unidirectional fabric (plain weave, warp: carbon fiber T800S-24K-10C manufactured by Toray Industries, Inc., carbon fiber basis weight: 295 g/m 2 , warp density: 7.2/25 mm, weft: glass fiber. ECE225 1/0 1Z (manufactured by Nittobo Co., Ltd., weft density 7.5/25 mm). The adhesion amount was 5 g/m 2 . Thereafter, the substrate was heated using a far-infrared heater to fuse the binder, thereby obtaining a binder-attached reinforcing fiber substrate having a binder applied to one surface.
  • the reinforcing fiber base material with a binder cut into 395 mm ⁇ 395 mm is laminated with four sheets aligned in the 0 ° direction with the fiber direction set to 0 °. was set and the mold was closed. Subsequently, after the mold was heated to 130° C., an epoxy resin composition which had been separately preheated to 80° C. was injected into the mold at an injection pressure of 0.2 MPa using a resin injection device. After the injection, the mold was kept at 130° C. for 2 hours, then cooled to 30° C. and demolded. After demolding, the temperature was raised from 30 ° C. to 180 ° C.
  • Cut in a 90° direction so as to pass through the center of the molded product observe the entire area of 1 cross section of the molded product that has been smoothed and polished with an oblique optical microscope at a magnification of 200 times, and measure the area ratio of voids in the molded product. was calculated as the amount of voids in the molded product.
  • the amount of voids in the molded product is less than 1%, it is considered to have sufficient impregnation.
  • Example 1 As shown in Table 1, 25 parts of "Araldite (registered trademark)” MY721 as component [A], 30 parts of GAN, 30 parts of "EPICLON” HP-7200L as component [B], and "Kane Ace” as component [E] (registered trademark)”MX-416 was added, and stirred at 120°C for 1 hour to obtain a uniform base liquid.
  • the main component liquid and the curing agent liquid were mixed to form an epoxy resin composition, and the gelling temperature of the resin and the viscosity after holding at 110°C for 30 minutes were measured. It was excellent in adhesiveness and impregnation.
  • a resin cured product was prepared by the above-described method, and the Tg and flexural modulus of the cured product were measured. and mechanical properties.
  • the cured product had a water absorption of 2.0%, a Tg of 153° C. after absorbing water, and a flexural modulus of 3.1 GPa after absorbing water, showing excellent wet heat properties.
  • the resin toughness was 1.0 MPa ⁇ m 0.5 , and had excellent resin toughness.
  • Example 2 An epoxy resin composition was prepared in the same manner as in Example 1 except that the type of component [B] and the blending amount of each component were changed as shown in Table 1, and the gelling temperature of the resin was kept at 110 ° C. for 30 minutes. Afterwards the viscosity was measured.
  • the curing agent liquid of this example was liquid at 23°C.
  • a resin cured product was prepared using each epoxy resin composition, and the cured product Tg, flexural modulus, water absorption, Tg of the cured product after water absorption, flexural modulus after water absorption, and resin toughness were measured. .
  • the gelation temperature of the resin was higher than the melting point of the binder of the reinforcing fiber base material.
  • the softening point of component [B] was increased, the viscosity increased after being held at 110°C for 30 minutes, but the impregnation was sufficient.
  • the softening point of the component [B] was increased, the heat resistance was improved. Furthermore, all had excellent moist heat properties and resin toughness.
  • Example 4 An epoxy resin composition was prepared and evaluated in the same manner as in Example 3, except that the blending amounts of component [A] “Araldite (registered trademark)” MY721 and component [B] were changed as shown in Table 1. did.
  • the curing agent liquid of this example was liquid at 23°C.
  • the gelling temperature of the resin was higher than the melting point of the reinforcing fiber base binder.
  • the blending amount of component [B] was increased, the viscosity increased after holding at 110°C for 30 minutes, but sufficient impregnating properties were obtained.
  • the heat resistance decreased slightly as the blending amount of the component [B] was increased, all had excellent heat resistance. Furthermore, all had excellent wet heat properties and sufficient resin toughness.
  • Examples 6-8) Except for changing the blending amount of each component so that H/E, which is the ratio of the total number of epoxy groups (E) and the total number of active hydrogens (H) of the amine compound contained in the curing agent, is as shown in Table 1. , an epoxy resin composition was prepared in the same manner as in Example 3 and evaluated.
  • the curing agent liquid of this example was liquid at 23°C.
  • Example 9 As shown in Table 2, an epoxy resin composition was prepared in the same manner as in Example 3, except that "Kayahard (registered trademark)" AA (PT) was used as the component [C] and the amount shown in Table 2 was used. prepared and evaluated.
  • the curing agent liquid of this example was liquid at 23°C.
  • the gelling temperature of the resin is higher than the melting point of the binder of the reinforcing fiber base material, and the viscosity after holding at 110°C for 30 minutes also has sufficient impregnating properties. Moreover, it had sufficient heat resistance, and had excellent wet heat characteristics and resin toughness.
  • Example 10 An epoxy resin composition was prepared and evaluated in the same manner as in Example 3, except that the ratio of the curing agent component [C] and component [D] was changed as shown in Table 2.
  • the curing agent liquid of this example was liquid at 23°C.
  • the ratio of component [D] was increased, the viscosity increased after being kept at 110°C for 30 minutes, but the result was that sufficient impregnation was obtained.
  • the ratio of component [D] was increased, the resin toughness was better. Furthermore, all of them had sufficient heat resistance and excellent moist heat properties.
  • Example 12 As shown in Table 2, an epoxy resin composition was prepared and evaluated in the same manner as in Example 3, except that "jER (registered trademark)" 630 was used as component [A1].
  • the curing agent liquid of this example was liquid at 23°C.
  • the gelation temperature of the resin was higher than the melting point of the binder of the reinforcing fiber base material, and the viscosity after holding at 110°C for 30 minutes was sufficiently low. In addition, it had sufficient heat resistance, excellent wet heat characteristics and resin toughness.
  • Example 13 As shown in Table 2, an epoxy resin composition was prepared and evaluated in the same manner as in Example 3, except that GOT was used as component [A2].
  • the curing agent liquid of this example was liquid at 23°C.
  • the gelation temperature of the resin was higher than the melting point of the binder of the reinforcing fiber base material, and the viscosity after holding at 110°C for 30 minutes was sufficiently low. In addition, it had sufficient heat resistance, moist heat characteristics, and excellent resin toughness.
  • Example 14 As shown in Table 2, an epoxy resin composition was prepared and evaluated in the same manner as in Example 6, except that component [E] was not included.
  • the curing agent liquid of this example was liquid at 23°C.
  • the gelling temperature of the resin was higher than the melting point of the binder of the reinforcing fiber base material, and the viscosity after holding at 110°C for 30 minutes was sufficiently low. In addition, it had sufficient heat resistance, resin toughness, and excellent wet heat characteristics.
  • Example 1 As shown in Table 3, an epoxy resin composition was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that component [B] was not included and 55 parts of component [A] "Araldite (registered trademark)" MY721 was used. Did. The gelation temperature of the resin was higher than the binder melting point of the reinforcing fiber base material, and the viscosity after being held at 110°C for 30 minutes was 24 mPa s or less. The post flexural modulus was insufficient. Moreover, it was the result which is inferior also to resin toughness.
  • Example 2 As shown in Table 3, an epoxy resin composition was prepared and evaluated in the same manner as in Example 3 except that component [A1] was not included and 70 parts of component [B] "EPICLON" HP-7200H was used. .
  • the gelation temperature of the resin was higher than the binder melting point of the reinforcing fiber base material, and the water absorption rate was low. Moreover, the result was that the resin toughness was also inferior.
  • Example 3 As shown in Table 3, the epoxy resin composition was the same as in Example 3 except that the curing agent did not contain component [C] and 70 parts of component [D] "Lonzacure (registered trademark)" M-MIPA was used. prepared and evaluated. The gelation temperature of the resin was higher than the binder melting point of the reinforcing fiber base material, and the water absorption rate was low. Met.
  • Example 4 As shown in Table 3, an epoxy resin composition was prepared and evaluated in the same manner as in Example 3, except that H/E was changed to 0.8.
  • the gelation temperature of the resin is higher than the melting point of the binder of the reinforcing fiber base material, and the viscosity after being held at 110 ° C. for 30 minutes also has sufficient impregnating properties, and the heat resistance and wet heat characteristics are also sufficient results. The results were inferior in toughness.
  • Example 5 As shown in Table 3, an epoxy resin composition was prepared and evaluated in the same manner as in Example 3, except that H/E was changed to 1.6.
  • the gelation temperature of the resin is higher than the melting point of the binder of the reinforcing fiber base material, and the viscosity after being held at 110°C for 30 minutes also has sufficient impregnation properties, and excellent resin toughness was exhibited, but the heat resistance was poor. there were.
  • Example 15 As shown in Table 4, 25 parts of “Araldite (registered trademark)” MY721 as component [A], 30 parts of GAN, 30 parts of NC-3000H as component [B], and “Kaneace (registered trademark)” as component [E] )” 20 parts of MX-416 was added and stirred at 120°C for 1 hour to prepare a uniform base liquid.
  • the hardener liquid was liquid at 23°C.
  • the main component liquid and the curing agent liquid were mixed to form an epoxy resin composition, and the gelling temperature of the resin and the viscosity after holding at 110°C for 30 minutes were measured. It was excellent in adhesiveness and impregnation.
  • a resin cured product was prepared by the above-described method, and the Tg and flexural modulus of the cured product were measured. and mechanical properties.
  • the cured product had a water absorption of 2.2%, a Tg of 161° C. after absorbing water, and a flexural modulus of 3.1 GPa after absorbing water, showing excellent wet heat properties.
  • the resin toughness was 0.9 MPa ⁇ m 0.5 , which was excellent resin toughness.
  • Example 16 and 17 An epoxy resin composition was prepared in the same manner as in Example 15, except that the type of component [B] and the amount of each component were changed as shown in Table 4, and the gelling temperature of the resin was maintained at 110°C for 30 minutes. Afterwards the viscosity was measured.
  • the curing agent liquid of this example was liquid at 23°C.
  • a resin cured product was prepared using each epoxy resin composition, and the cured product Tg, flexural modulus, water absorption, Tg of the cured product after water absorption, flexural modulus after water absorption, and resin toughness were measured. .
  • the gelation temperature of the resin was higher than the melting point of the binder of the reinforcing fiber base material.
  • the softening point of the component [B] was high, the viscosity increased after being held at 110°C for 30 minutes, but sufficient impregnation was obtained.
  • the use of component [B] having a high softening point provided better heat resistance. Furthermore, all had excellent moist heat properties and resin toughness.
  • Example 18 Epoxy resin in the same manner as in Example 16 except that the blending amounts of component [A] "Araldite (registered trademark)” MY721 and component [B] “EPICLON” HP-4770 etc. were changed as shown in Table 4. Compositions were prepared and evaluated.
  • the curing agent liquid of this example was liquid at 23°C.
  • the gelling temperature of the resin was higher than the melting point of the reinforcing fiber base binder.
  • the blending amount of component [B] was increased, the viscosity increased after holding at 110°C for 30 minutes, but sufficient impregnating properties were obtained.
  • the heat resistance decreased slightly as the blending amount of the component [B] was increased, all had excellent heat resistance. Furthermore, all had excellent wet heat properties and sufficient resin toughness.
  • Example 20-22 Except for changing the blending amount of the curing agent so as to change H/E, which is the ratio of the total number of epoxy groups (E) and the total number of active hydrogens (H) of the amine compound contained in the curing agent, as shown in Table 4, An epoxy resin composition was prepared and evaluated in the same manner as in Example 16.
  • the curing agent liquid of this example was liquid at 23°C.
  • Example 23 As shown in Table 5, the epoxy resin composition was the same as in Example 16, except that "Kayahard (registered trademark)" AA (PT) was used as component [C] and the amount of component [D] was changed. prepared and evaluated.
  • the curing agent liquid of this example was liquid at 23°C.
  • the gelling temperature of the resin is higher than the melting point of the binder of the reinforcing fiber base material, and the viscosity after holding at 110°C for 30 minutes also has sufficient impregnating properties. Moreover, it had sufficient heat resistance, and had excellent wet heat characteristics and resin toughness.
  • Examples 24-27 An epoxy resin composition was prepared and evaluated in the same manner as in Example 16, except that the ratio of the curing agent component [C] and component [D] was changed as shown in Table 2.
  • the curing agent liquid of this example was liquid at 23°C.
  • Example 28 As shown in Table 5, "jER (registered trademark)" 630 was used as component [A1], and the blending amounts of curing agent component [C] and component [D] were slightly changed, in the same manner as in Example 16. An epoxy resin composition was prepared and evaluated.
  • the curing agent liquid of this example was liquid at 23°C.
  • the gelling temperature of the resin was higher than the melting point of the binder of the reinforcing fiber base material, and the viscosity was low after holding at 110°C for 30 minutes. In addition, it had sufficient heat resistance, excellent wet heat characteristics and resin toughness.
  • Example 29 As shown in Table 5, an epoxy resin composition was prepared and evaluated in the same manner as in Example 16, except that GOT was used as component [A2].
  • the curing agent liquid of this example was liquid at 23°C.
  • the gelation temperature of the resin is higher than the melting point of the binder of the reinforcing fiber base material, and the viscosity after holding at 110°C for 30 minutes was sufficiently low. In addition, it had sufficient heat resistance, excellent wet heat characteristics and resin toughness.
  • Example 30 As shown in Table 5, an epoxy resin composition was prepared and evaluated in the same manner as in Example 16, except that the amount of component [A1] was changed and component [E] was not included.
  • the curing agent liquid of this example was liquid at 23°C.
  • the gelation temperature of the resin was higher than the melting point of the binder of the reinforcing fiber base material, and the viscosity was sufficiently low after being held at 110°C for 30 minutes. In addition, it had sufficient resin toughness, excellent heat resistance and wet heat characteristics.
  • Example 7 As shown in Table 6, except that component [A1] was not included, 70 parts of "EPICLON” HP-4770 was used as component [B], and the blending amounts of curing agent component [C] and component [D] were changed.
  • An epoxy resin composition was prepared and evaluated in the same manner as in Example 16. The gelation temperature of the resin was higher than the binder melting point of the reinforcing fiber base material, and the water absorption rate was low. there were.
  • Example 31 As shown in Table 6, the epoxy resin composition was the same as in Example 2, except that 30 parts of NC-3000 was used as component [B] and the amounts of component [C] and component [D] in the curing agent were slightly changed. prepared and evaluated.
  • the gelation temperature of the resin was higher than the melting point of the binder of the reinforcing fiber base material, and the viscosity after being kept at 110°C for 30 minutes also had sufficient impregnating properties and was excellent in resin toughness. Moreover, it was a result inferior to heat resistance.
  • Example 32 As shown in Table 6, "jER (registered trademark)" 630 is used as component [A1] instead of component [A2], 30 parts of NC-3000 is used as component [B], and component [C] in the curing agent An epoxy resin composition was prepared and evaluated in the same manner as in Example 2, except that the blending amounts of and component [D] were slightly changed.
  • the curing agent liquid of this example was liquid at 23°C.
  • the gelation temperature of the resin is higher than the melting point of the binder of the reinforcing fiber base material, and the viscosity after being held at 110°C for 30 minutes has sufficient impregnation properties, resulting in extremely high heat resistance.
  • the elastic modulus and toughness were lower than those of Example 31.
  • Example 33 As shown in Table 6, "jER (registered trademark)" 630 is used as component [A1] by replacing 15 parts of component [A1], and the amount of component [C] and component [D] in the curing agent is slightly changed.
  • An epoxy resin composition was prepared and evaluated in the same manner as in Example 3, except that
  • the curing agent liquid of this example was liquid at 23°C.
  • the gelation temperature of the resin is higher than the melting point of the binder of the reinforcing fiber base material, and the viscosity after holding at 110°C for 30 minutes also has sufficient impregnating properties, resulting in high heat resistance.
  • the epoxy resin composition of the present invention has a low viscosity and excellent impregnating properties, is stable with a suppressed increase in viscosity even at injection temperatures, can be sufficiently cured in a short period of time, and can be removed from the mold after molding. It is possible to provide a fiber-reinforced composite material that can be smoothly removed from the mold by being sufficiently cured and imparted with high heat resistance, and that has excellent mechanical properties under wet heat and microcrack resistance.
  • a fiber-reinforced composite material comprising at least such an epoxy resin composition and reinforcing fibers is excellent in compressive strength under wet heat, impact resistance, and microcrack resistance, so that it can be suitably used for aerospace aircraft members, automobile members, and the like. can.

Abstract

低粘度で含浸性に優れ、注入温度でも粘度上昇が抑えられ安定であり、短時間で十分な硬化ができ、かつ成形後の脱型工程の際、樹脂が十分硬化し高耐熱性が付与されることでスムーズに脱型でき、湿熱時の力学特性に優れた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。 エポキシ樹脂として次の成分[A]および成分[B]を含み、硬化剤として次の成分[C]および[D]を含むエポキシ樹脂組成物であって、成分[B]が全エポキシ樹脂成分100質量部に対して10質量部以上50質量部以下含まれ、硬化剤が23℃で液状であり、かつエポキシ樹脂に含まれるエポキシ基総数(E)と硬化剤中に含まれるアミン化合物の活性水素総数(H)との比であるH/Eが1.0以上1.4以下であるエポキシ樹脂組成物。 [A]1つ以上のグリシジルアミノ基を有するエポキシ樹脂 [B]ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂 [C]液状芳香族ジアミン [D]結晶性芳香族ジアミン

Description

エポキシ樹脂組成物、繊維強化複合材料およびその製造方法
 本発明は、航空・宇宙用部材、自動車用部材等に好適に用いられるエポキシ樹脂組成物、およびそれを用いた繊維強化複合材料ならびにその製造方法に関するものである。
 強化繊維とマトリックス樹脂とからなる繊維強化複合材料は、強化繊維とマトリックス樹脂の利点を生かした材料設計が出来るため、航空宇宙分野を始め、スポーツ分野、一般産業分野等に用途が拡大されている。
 強化繊維としては、ガラス繊維、アラミド繊維、炭素繊維、ボロン繊維等が用いられる。マトリックス樹脂としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂のいずれも用いられるが、強化繊維への含浸が容易な熱硬化性樹脂が用いられることが多い。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、ビスマレイミド樹脂、シアネート樹脂等が用いられる。
 繊維強化複合材料の成形方法としては、プリプレグ法、ハンドレイアップ法、フィラメントワインディング法、プルトルージョン法、RTM(Resin Transfer Molding)法等の方法が適用される。プリプレグ法は、強化繊維にエポキシ樹脂組成物を含浸したプリプレグを所望の形状に積層し、加熱することによって成形物を得る方法である。しかし、このプリプレグ法は航空機や自動車等の構造材用途で要求される高い材料強度を有する繊維強化複合材料の生産には向いているが、プリプレグの作製、積層等の多くのプロセスを経ることを必要とするため、少量生産しかできず、大量生産には不向きであり、生産性に問題がある。一方、RTM法は、加熱した成形型内に配置した強化繊維基材に液状のエポキシ樹脂組成物を注入し、含浸させ、該成形型内で加熱硬化して成形物を得る方法である。この方法であれば成形型を用意することで、プリプレグ作製工程を介さずに短時間で繊維強化複合材料を成形できるだけでなく、複雑な形状の繊維強化複合材料でも容易に成形が可能という利点もある。
 近年、航空機や自動車等の構造材用途であっても高生産性が求められてきており、高速成形可能かつ飛行機や自動車等の構造材用途で要求される高いレベルの物性(耐熱性、耐衝撃性、耐久性等)を有する繊維強化複合材料への要求が高まっている。
 RTM法において、繊維強化複合材料を高速成形するためには、各成形工程における成形時間の短縮が必要不可欠である。RTM法の各成形工程とは、加熱した成形型内に配置した強化繊維基材に液状のエポキシ樹脂組成物を注入し含浸させる工程、および、該成形型内で注入し含浸させたエポキシ樹脂組成物を加熱硬化して成形物を得て、該成形型から成形物を脱型する工程に分かれる。強化繊維基材への樹脂注入時間を短縮するためには、短時間で含浸するようエポキシ樹脂組成物が低粘度であること、かつ注入中のエポキシ樹脂組成物は強化繊維基材に含浸するまでの間は低粘度な状態に保たれることが必要である。また、加熱硬化時間を短縮するためには、短時間でエポキシ樹脂組成物が十分硬化し、高耐熱性が付与されることで、スムーズに脱型できることが求められる。
 しかしながら、従来のRTM用エポキシ樹脂組成物は、この高速成形性と繊維強化複合材料物性がトレードオフの関係にあった。すなわち、短時間で注入しようと注入温度を上げて樹脂粘度を下げると、注入中に樹脂の一部が反応を始め増粘してしまい、注入に時間がかかっていた。これを防ぐために低粘度かつ反応性の低い樹脂を用いると加熱硬化に時間がかかったり、得られる繊維強化複合材料の物性が低くなったりと、高速成形性と高いレベルの繊維強化複合材料物性を両立することは困難であった。
 また、従来のRTM用エポキシ樹脂組成物を用いた場合、航空機等の構造材料に適用する場合に要求される湿熱条件下での力学特性が低下しやすいという課題もあった。
 このような現状に対し、硬化剤としてメチレンビス(3-クロロ-2,6-ジエチルアニリン)(M-CDEA)を含むエポキシ樹脂組成物が開示されており、長時間粘度の上昇を抑えられる技術が提案されている(特許文献1)。
 また、硬化剤としてジアミノジフェニルスルホンを含むエポキシ樹脂組成物が開示されており、含浸性に優れ、180℃で高速硬化ができ、かつ成形後の脱型工程の際、樹脂が十分硬化している技術が提案されている(特許文献2)。
 さらに、硬化剤としてアルキルベンゼンジアミンと芳香族アミンを含むエポキシ樹脂組成物を用いることで、繊維強化複合材料とした時の開孔圧縮強度や湿熱条件下での耐熱性が優れる技術が開示されている(特許文献3)。
 また、ジシクロペンタジエン骨格を有するエポキシ樹脂を含むプリプレグ用エポキシ樹脂組成物を用いることで、耐熱性や耐水性が優れる技術が開示されている(特許文献4、5)。
 また、フェノールアラルキル樹脂のポリグリシジルエーテルを含むエポキシ樹脂組成物を用いることで、ガラス転移温度が高く、吸水によるガラス温度低下が少ない成形体を得る技術が開示されている。(特許文献6)。
特許第5808057号公報 特開2010-150310号公報 国際公開第2019/011774号 特開2006-291093号公報 特開2002-194054号公報 国際公開第2003/040206号
 前述の特許文献1に記載の方法では、長時間粘度の上昇を抑えることが可能になるものの、樹脂組成物が高粘度であるため、液状のエポキシ樹脂組成物を注入し含浸させる工程においてエポキシ樹脂組成物の含浸性が不十分であり、また、反応性が低いメチレンビス(3-クロロ-2,6-ジエチルアニリン)(M-CDEA)を含むため、高温での硬化性も低く、短時間の加熱硬化では十分な高強度が発現しないという課題があった。また、湿熱条件下での力学特性も不十分であった。
 前述の特許文献2に記載の方法では、液状のエポキシ樹脂組成物を注入し含浸させる工程におけるエポキシ樹脂組成物の含浸性には優れるものの、高いレベルで要求される高速硬化性に対し十分良好とまでは言えず、湿熱条件下での力学特性も不十分である場合があった。
 前述の特許文献3に記載の方法では、反応性が低い4,4’-メチレンビス(クロロジエチルアニリン)(M-CDEA)や、4,4’-メチレンビス(ジエチルアニリン)(M-DEA)等を含むため、加熱硬化時に高温としても硬化性が低く、短時間の加熱硬化では十分な高強度や耐熱性が発現しないという課題があった。
 前述の特許文献4、5に記載の方法では、樹脂粘度が高いため液状のエポキシ樹脂組成物を注入し含浸させる工程において含浸に時間がかかる上、短時間で注入すると得られる繊維強化複合材料には未含浸部分が発生するという課題があった。
 そこで、本発明の目的は、低粘度で含浸性に優れ、注入温度において粘度上昇が抑えられ安定であり、短時間で十分な硬化ができ、かつ成形後の脱型工程の際に樹脂が十分硬化し高耐熱性が付与されることで、スムーズに脱型できるエポキシ樹脂組成物を提供することである。さらには、湿熱時の力学特性、マイクロクラック耐性に優れた繊維強化複合材料を提供することである。
 本発明は、上記課題を解決するために次の構成を有するものである。すなわち、エポキシ樹脂として次の成分[A]および成分[B]を含み、硬化剤として次の成分[C]および成分[D]を含むエポキシ樹脂組成物であって、成分[B]が全エポキシ樹脂成分100質量部に対して10質量部以上50質量部以下含まれ、硬化剤が23℃で液状であり、かつエポキシ樹脂に含まれるエポキシ基総数(E)と硬化剤中に含まれるアミン化合物の活性水素総数(H)との比であるH/Eが1.0以上1.4以下であるエポキシ樹脂組成物、である。
[A]1つ以上のグリシジルアミノ基を有するエポキシ樹脂
[B]ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂から選ばれる少なくとも1つのエポキシ樹脂
[C]液状芳香族ジアミン
[D]結晶性芳香族ジアミン。
 さらに、本発明の繊維強化複合材料は、前記エポキシ樹脂組成物の硬化物と、強化繊維基材とを含む繊維強化複合材料である。
 また、本発明の繊維強化複合材料の製造方法は、エポキシ樹脂として上記の成分[A]および成分[B]を含む主剤液と、硬化剤として上記の成分[C]および成分[D]とを含み、23℃で液状である硬化剤液とを混合した後、90℃以上130℃以下に加熱した成形型内に配置した強化繊維基材に注入し、含浸させ、該成形型内で160℃以上200℃以下で硬化を行う繊維強化複合材料の製造方法であって、[B]が全エポキシ樹脂成分100質量部に対して10質量部以上50質量部以下含まれ、かつエポキシ樹脂に含まれるエポキシ基総数(E)と硬化剤中に含まれるアミン化合物の活性水素総数(H)との比であるH/Eが1.0以上1.4以下である繊維強化複合材料の製造方法である。
 本発明によれば、低粘度で含浸性に優れ、注入温度において粘度上昇が抑えられ安定であり、短時間で十分な硬化ができ、かつ成形後の脱型工程の際、樹脂が十分硬化し高耐熱性が付与されることでスムーズに脱型でき、湿熱時の力学特性に優れた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が可能になる。そして、かかるエポキシ樹脂組成物と強化繊維からなる繊維強化複合材料は、湿熱時の力学特性、マイクロクラック耐性に優れるため、航空・宇宙機部材、自動車部材等に好適に用いることができる。
 以下に、本発明の望ましい実施の形態について、説明する。
 本発明で用いられる成分[A]は、1つ以上のグリシジルアミノ基を有するエポキシ樹脂であり、樹脂硬化物および繊維強化複合材料に高い耐熱性や機械特性を与えるために必要な成分である。ここで成分[A]の1つ以上のグリシジルアミノ基を有するエポキシ樹脂とは、各種のアミンをエピハロヒドリンと作用させてエポキシ化して得られるエポキシ樹脂であり、具体例として、アミノフェノール型エポキシ樹脂、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン、ジグリシジルアニリン、テトラグリシジルキシレンジアミン、ヘキサグリシジルトリアミノベンゼン、および、それらの誘導体もしくは異性体等が挙げられる。また、成分[A]として、これら2種類以上組み合わせて使用しても構わない。
 さらに、成分[A]として、次の成分[A1]および/または成分[A2]を含むことが好ましい。
 [A1]3つ以上のエポキシ基を有し、1つ以上のグリシジルアミノ基を有するエポキシ樹脂
 [A2]ジグリシジルアニリンまたはその誘導体。
 成分[A1]は、3つ以上のエポキシ基を有し、1つ以上のグリシジルアミノ基を有するエポキシ樹脂であり、3つ以上のエポキシ基を有することにより高い耐熱性を与えやすい成分である。具体例として、アミノフェノール型エポキシ樹脂、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン、テトラグリシジルキシレンジアミン、ヘキサグリシジルトリアミノベンゼンおよび、それらの誘導体もしくは異性体等が挙げられる。
 成分[A2]は、ジグリシジルアニリンまたはその誘導体であり、その構造によって樹脂硬化物および繊維強化複合材料に高い力学特性を与えやすい成分である。特に、成分[A1]と成分[A2]とを組み合わせることにより、特に高い耐熱性と力学特性が得られる場合がある。
 アミノフェノール型エポキシ樹脂の市販品としては、“jER(登録商標)”630(以上、三菱ケミカル(株)製)、“アラルダイト(登録商標)”MY0500、“アラルダイト(登録商標)”MY0510、“アラルダイト(登録商標)”MY0600(以上、ハンツマン・ジャパン(株)製)、“スミエポキシ(登録商標)”ELM100、“スミエポキシ(登録商標)”ELM120(以上、住友化学工業(株)製)等を使用することができる。
 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(登録商標)”ELM434(住友化学(株)製)、YH434L(日鉄ケミカル&マテリアル(株)製)、“jER(登録商標)”604(三菱ケミカル(株)製)、“アラルダイト(登録商標)”MY720、“アラルダイト(登録商標)”MY721(以上、ハンツマン・ジャパン(株)製)等を使用することができる。
 テトラグリシジルキシレンジアミンおよびその誘導体の市販品としては、“TETRAD(登録商標)”-X、“TETRAD(登録商標)”-C(以上、三菱ガス化学(株)製)等を使用することができる。
 ジグリシジルアニリンおよびその誘導体の市販品としては、GAN(N,N-ジグリシジルアニリン)、GOT(N,N-ジグリシジル-o-トルイジン)(以上、日本化薬(株)製)、TOREP A-204E(N,N-ジグリシジル-4-(フェノキシ)アニリン)(東レ・ファインケミカル(株)製)等を使用することができる。
 本発明における成分[A]は、全エポキシ樹脂成分100質量部に対して50質量部以上90質量部以下含まれていることが好ましい。全エポキシ樹脂成分100質量部に対して、成分[A]が50質量部以上90質量部以下含まれる場合は、樹脂硬化物が高い耐熱性を発現しやすい。また、成分[A2]が全エポキシ樹脂成分100質量部に対して20質量部以上40質量部以下含まれることが高い弾性率と靭性、耐熱性を与える観点から好ましい。
 本発明における成分[B]は、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂から選ばれる少なくとも1つのエポキシ樹脂であり、樹脂硬化物および繊維強化複合材料の吸水率を低下させ、湿熱条件下での高い力学特性を与えるために必要な成分である。ここで成分[B]のジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂とは、下記構造式(1)で表されるジシクロペンタジエン骨格を有するエポキシ樹脂のことを言う。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
 成分[B]のジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂に含まれる構造式(1)中のnは、下記に記載のエポキシ当量を有するものであれば特に限定されない。また、nは分布を有するが、その平均を大きくすることで軟化点が上がる傾向があり、主成分としてnは1~4のものからなる混合物が取り扱い性の観点から好ましい。不純物としてnが0のものを含んでいてもよい。
また、ここで成分[B]のフェノールアラルキル型エポキシ樹脂とは、下記構造式(2)で表されるフェノールアラルキル骨格を有するエポキシ樹脂のことを言い、ナフタレン型エポキシ樹脂とは、ナフタレンに直接グリシジルエーテル基および/またはグリシジルアミノ基が結合しているエポキシ樹脂のことを言う。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
 成分[B]のフェノールアラルキル型エポキシ樹脂に含まれる構造式(2)中のnは下記に記載の軟化点を有するものであれば特に限定されないが、平均のnを大きくすることで軟化点が上がる傾向があり、主成分としてnは1~3のものからなる混合物が取り扱い性の観点から好ましい。不純物としてnが0のものを含んでいてもよい。また、構造式(2)中のRは、フェニレン基、ビフェニレン基、ナフチレン基などのアリーレン基であり、そのアリーレン基は置換基を有していても良い。
 本発明における成分[B]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、“EPICLON”HP-7200L、“EPICLON”HP-7200、“EPICLON”HP-7200H、“EPICLON”HP-7200HHH(以上、DIC(株)製)、XD-1000-L、XD-1000-2L(以上、日本化薬(株)製)、“Tactix”556(Huntsman社製)などを例示することができる。
フェノールアラルキル型エポキシ樹脂の市販品としては、ビフェニレン基を有するNC-3000、NC-3000H、(以上、日本化薬(株)製)などを例示することができる。ナフタレン型エポキシ樹脂の市販品としては、“EPICLON”HP-4700、“EPICLON”HP-4710、“EPICLON”HP-4750、“EPICLON”HP-4770(以上、DIC(株)製)などを例示することができる。また、成分[B]として、2種以上のエポキシ樹脂を組み合わせて使用しても構わないし、2品種以上のジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂を組み合わせて使用しても構わない。同種のものを組み合わせることで耐湿熱性を損なわずに樹脂粘度を制御できるため好ましい。
より低い吸水率を得られ、高温吸水下での高い弾性率が得られる観点からはジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂を用いることが好ましい。高い耐熱性の観点からはナフタレン型エポキシ樹脂が好ましい。
 本発明における成分[B]は、全エポキシ樹脂成分100質量部に対して10質量部以上50質量部以下含まれていることが必要であり、30質量部以上50質量部以下含まれることが好ましい。全エポキシ樹脂成分100質量部に対して、成分[B]が10質量部未満の場合、樹脂硬化物の湿熱条件における力学特性が不足し、50質量部を超えて含まれる場合、樹脂含浸温度における強化繊維基材への含浸性が不足する。
 本発明に用いられる成分[B]として、軟化点が50℃以上110℃以下であるエポキシ樹脂を用いることが好ましい。より好ましくは、軟化点が70℃以上110℃以下である。さらに好ましくは、軟化点が80℃以上100℃以下である。軟化点が50℃以上110℃以下であるエポキシ樹脂を用いることにより、樹脂硬化物の架橋密度が向上し、高い耐熱性が得られやすくなる。特に成分[A2]との組み合わせにおいて高い靭性と弾性率などの高い力学特性が得られるため好ましい。なお、複数品種の成分[B]を用いる場合は、成分[B]の混合物全体の軟化点が上記範囲であることにより上記の効果が得られやすい。
 また、本発明においては、エポキシ樹脂として成分[A]、成分[B]以外のエポキシ樹脂が含まれていてもよい。成分[A]、成分[B]以外のエポキシ樹脂の具体例としては、ビスフェノール型エポキシ樹脂、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、レゾルシノール型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、イソシアネート変性エポキシ樹脂、テトラフェニルエタン型エポキシ樹脂、トリフェニルメタン型エポキシ樹脂、フルオレン型エポキシ樹脂等が挙げられる。
 本発明のエポキシ樹脂組成物は、強化繊維基材への含浸性を高めつつ、繊維強化複合材料に優れた耐熱性や機械強度を付与するため、硬化剤として少なくとも2種類の成分、すなわち成分[C]液状芳香族ジアミン、および、成分[D]結晶性芳香族ジアミンを含んでいる。
 本発明のエポキシ樹脂組成物の硬化剤に含まれる2種類の成分の内、成分[C]液状芳香族ジアミンは、23℃で液状の芳香族ジアミンであり、23℃で結晶性を有する成分[D]結晶性芳香族ジアミンを溶解することで、23℃で硬化剤を均一な液状の硬化剤液として扱うことで取扱性を向上するための必須成分である。ここで、均一に溶解された状態とは、23℃において成分[D]が溶解度まで達しておらず、成分[D]を溶解させた直後において固形成分の析出がない液体の状態を指す。この硬化剤液は長時間液状を保持するため、RTM法等の繊維強化複合材料の製造方法に好適に用いることができる。
 なお、本発明において、「23℃で液状」とは、23℃における粘度が1000Pa・s以下であることを指す。ここで、粘度は、JIS Z 8803:1991における「円すい-平板形回転粘度計による粘度測定方法」に従い、標準コーンローター(1°34’×R24)を装着したE型粘度計(例えば、東機産業(株)製TPE-100H)を使用して測定する。
 また、本発明において、「23℃で結晶性を有する」とは、23℃を超える温度に融点を有し、23℃では結晶状となり流動性をもたないことを指す。融点は、JIS K 7121:2012に従って、示差走査熱量測定(DSC)により求めることができる。結晶性成分を窒素雰囲気下において昇温測定を行い、得られたDSC曲線における吸熱ピークの頂点温度を融点として得ることができる。
 成分[C]液状芳香族ジアミンの具体例として、メタキシリレンジアミン、ジエチルトルエンジアミン、4,4’-ジアミノ-3,3’-ジエチルジフェニルメタン、および、それらの異性体等が挙げられ、成分[C]として、これら2種類以上組み合わせて使用しても構わない。
 特に、成分[C]液状芳香族ジアミンとして成分[C1]ジエチルトルエンジアミンおよび/または成分[C2]4,4’-ジアミノ-3,3’-ジエチルジフェニルメタンを使用することが、高ガラス転移温度、高弾性率のエポキシ樹脂硬化物が得られる観点から好ましい。また、成分[C1]および/または成分[C2]を用いることで、種々の特性を維持しながらエポキシ樹脂組成物の粘度を低下させることができ、高温に保持した際の粘度安定性にもすぐれるため繊維強化基材への含浸性の観点からも好ましい。
 かかるジエチルトルエンジアミンの市販品としては、“jERキュア(登録商標)”W(三菱ケミカル(株)製)、“ロンザキュア(登録商標)”DETDA80(Lonza(株)製)等を、4,4’-ジアミノ-3,3’-ジエチルジフェニルメタンの市販品としては、“カヤハード(登録商標)”A-A(PT)(日本化薬(株)製)等を用いることができる。
 成分[D]結晶性芳香族ジアミンは、25℃で結晶性を有するが、溶融状態では低粘度であるため取扱性に優れ、強化繊維基材への含浸性を向上しつつ、樹脂硬化物および繊維強化複合材料に高い機械特性を与えるために必要な成分である。具体例として、フェニレンジアミン、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルスルホン、ジフェニル-p-ジアニリンやこれらのアルキル置換体などの各種誘導体やアミノ基の位置の異なる異性体などが挙げられる。成分[D]として、これら2種類以上組み合わせて使用しても構わない。中でも、樹脂硬化物に高い耐熱性および力学特性を与える面からジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルスルホン、および、それらの誘導体や異性体を用いることが好ましい。
 特に、成分[D]結晶性芳香族ジアミンとして成分[D1]4,4’-メチレンビス(2-イソプロピル-6-メチルアニリン)を使用することが、高ガラス転移温度、高弾性率のエポキシ樹脂硬化物が得られ、かつ、硬化性に優れる観点から好ましい。また、成分[C1]および/または成分[C2]と成分[D1]の組み合わせは長期的な保管においても固形成分の析出が起こりにくいため好ましく用いられる。
 かかるジアミノジフェニルメタン、およびその誘導体の市販品としては、MDA-220(三井化学(株)製)、“Lonzacure(登録商標)”M-MIPA、“Lonzacure(登録商標)”M-DEA、“Lonzacure(登録商標)”M-DIPA、“Lonzacure(登録商標)”M-CDEA(以上、Lonza(株)製)、“カヤハード(登録商標)”M-MIPA等が挙げられる。
 かかるジアミノジフェニルスルホン、およびその異性体の市販品としては、3,3’-DAS(三井化学(株)製)、セイカキュア-S(4,4’-DDS、セイカ(株)製)等を用いることができる。
 本発明における成分[D]は、硬化剤の全ての成分100質量部に対して55質量部以上75質量部以下含まれていることが好ましく、60質量部以上70質量部以下。硬化剤の全ての成分100質量部に対して、成分[D]が55質量部以上75質量部以下含まれている場合、注入時の樹脂含浸温度での粘度が十分低く、含浸性が良好となり、また樹脂硬化物および繊維強化複合材料の耐熱性、力学特性に優れる。
 本発明のエポキシ樹脂組成物は、硬化剤として成分[C]、成分[D]以外の硬化剤の成分を含むこともできる。ここで硬化剤とは、エポキシ基と反応してエポキシ樹脂と架橋構造を形成し得る活性基を有する化合物を指す。成分[C]、成分[D]以外の硬化剤としては、例えば、ヘキサメチレンジアミン、1,3-ペンタンジアミン、2-メチルペンタメチレンジアミン等の脂肪族ジアミン硬化剤や、イソホロンジアミン、4,4’-メチレンビスシクロヘキシルアミン、4、4’-メチレンビス(2-メチルシクロヘキシルアミン)、ビス(アミノメチル)ノルボルナン、1,2-シクロヘキサンジアミン、1,3-ビスアミノメチルシクロヘキサン等の脂環式ジアミン硬化剤、等が挙げられる。これらの硬化剤は単体で用いても良いし、複数を混合して用いても良い。
 また、本発明のエポキシ樹脂組成物は、その他の成分として硬化促進剤、可塑剤、染料、顔料、無機充填材、酸化防止剤、紫外線吸収剤、カップリング剤、界面活性剤等を必要に応じて含むことができる。
 本発明において、エポキシ樹脂に含まれるエポキシ基総数(E)と硬化剤中に含まれるアミン化合物の活性水素総数(H)との比であるH/Eは1.0以上1.4以下であり、1.0以上1.3以下であることが好ましい。一般にH/Eが1.0以上の場合は、架橋点が減少するためと考えられるが高い靭性が得やすく、本発明における成分[A]、成分[B]を含むエポキシ樹脂と組み合わせることによって上記範囲にあると耐熱性と靭性が良好な水準に保たれやすい。H/Eが1.0未満である場合は、樹脂硬化物の靭性が不足し、1.4を超える場合は耐熱性が不足する。
 本発明のエポキシ樹脂組成物は、成分[E]として、体積平均粒子径が50nm以上300nm以下の範囲内にある、シェル部分にエポキシ基を含むコアシェルゴム粒子を含むことも好ましい態様である。コアシェルゴム粒子は繊維強化複合材料に高い靭性を与え、耐衝撃性向上や後述するマイクロクラック発生を抑制する効果がある点で優れている。ここでコアシェルゴム粒子とは、架橋ゴム等のポリマーを主成分とする粒子状のコア部分と、コア部分とは異なるポリマーをグラフト重合する等の方法でコア表面の一部あるいは全体を被覆した粒子を意味する。
 前記コアシェルゴム粒子のコア部分としては、共役ジエン系モノマー、アクリル酸エステル系モノマー、メタクリル酸エステル系モノマーより選ばれる1種または複数種から重合されたポリマー、またはシリコーン樹脂等を用いることができる。具体的には、例えば、ブタジエン、イソプレン、クロロプレンを挙げることができ、これらを単独もしくは複数種用いて構成される架橋したポリマーであることが好ましい。特に得られる重合体の性質が良好であり、重合が容易であることから、かかる共役ジエン系モノマーとしてブタジエンを用いること、すなわち、コア成分としてブタジエンを含むモノマーから重合されたポリマーであることが好ましい。
 コアシェルゴム粒子を構成するシェル成分は、前記したコア成分にグラフト重合されており、コア成分を構成するポリマー粒子と化学結合していることが好ましい。かかるシェル成分を構成する成分としては、例えば(メタ)アクリル酸エステル、芳香族ビニル化合物等から選ばれた1種または複数種から重合された重合体である。また、該シェル成分には分散状態を安定化させるために、本発明のエポキシ樹脂組成物に含まれる成分、すなわちエポキシ樹脂またはその硬化剤成分と反応する官能基が導入されていることが好ましい。このような官能基が導入されている場合、エポキシ樹脂との親和性が向上し、また最終的にはエポキシ樹脂組成物と反応して硬化物に取り込まれることが可能であるため、良好な分散性が達成できる。この結果、少量の配合でも十分な靱性向上効果が得られ、Tg、弾性率を維持しつつの靱性向上が可能となる。かかる官能基としては、例えばヒドロキシル基、カルボキシル基、エポキシ基が挙げられる。このような官能基をシェル部分に導入する方法としては、このような官能基を含むアクリル酸エステル類、メタクリル酸エステル類等の一種類または複数の成分を、モノマーの一部成分としてコア表面にグラフト重合する等の方法が挙げられる。
 本発明の成分[E]のコアシェルゴム粒子は、上記のとおり、体積平均粒子径が50nm以上300nm以下であることが好ましく、50nm以上150nm以下であることがより好ましい。なお、体積平均粒子径はナノトラック粒度分布測定装置(日機装(株)製、動的光散乱法)を用いて測定することができる。粉体や分散液が得られないなど、前述の方法で測定できない場合はマイクロトームで作製した硬化物の薄切片をTEM観察し、得られたTEM像から画像処理ソフトを用いて体積平均粒子径を測定してもよい。この場合、少なくとも100個以上の粒子の平均値を用いることが必要である。体積平均粒子径が50nm以上の場合、コアシェルゴム粒子の比表面積が適度に小さくエネルギー的に有利になるため凝集が起きにくく、靱性向上効果が高い。一方、体積平均粒子径が300nm以下の場合、コアシェルゴム粒子間の距離が適度に小さくなり、靱性向上効果が高い。
 コアシェルゴム粒子の製造方法については特に制限はなく、周知の方法で製造されたものを使用できる。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(ダウ・ケミカル社製)、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(アイカ工業(株)製)、アクリル酸ブチル・メタクリル酸メチル共重合物からなる“パラロイド(PARALOID)(登録商標)”EXL-2611、EXL-3387(ダウ・ケミカル社製)等を使用することができる。また、スタフィロイドIM-601、IM-602(以上アイカ工業(株)製)等の、ガラス転移温度が室温以上のガラス状ポリマーのコア層をTgの低いゴム状ポリマーの中間層で被い、さらにその周りをシェル層で被った、3層構造を有するコアシェルゴム粒子も使用することができる。通常、これらのコアシェルゴム粒子は塊状で取り出されたものを粉砕して粉体として取り扱われており、粉体状コアシェルゴムを再度熱硬化性樹脂組成物中に分散させることが多い。しかしながら、この方法では粒子を凝集のない状態、すなわち一次粒子の状態で安定に分散させることが難しいという問題がある。この問題に対して、コアシェルゴム粒子の製造過程から一度も塊状で取り出すことなく、最終的には熱硬化性樹脂の一成分、例えばエポキシ樹脂中に一次粒子で分散したマスターバッチの状態で取り扱うことができるものを用いることで、好ましい分散状態を得ることができる。このようなマスターバッチの状態で取り扱えるコアシェルゴム粒子としては、例えば、特開2004-315572号公報に記載の方法で製造することができる。この製造方法では、まず、コアシェルゴムを乳化重合、分散重合、懸濁重合に代表される水媒体中で重合する方法を用いてコアシェルゴム粒子が分散した懸濁液を得る。次に、かかる懸濁液に水と部分溶解性を示す有機溶媒、例えばアセトンやメチルエチルケトン等のケトン系溶媒や、テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル系溶媒を混合後、水溶性電解質、例えば塩化ナトリウムや塩化カリウムを接触させ、有機溶媒層と水層を相分離させ、水層を分離除去して得られたコアシェルゴム粒子が分散した有機溶媒を得る。その後、エポキシ樹脂を混合した後、有機溶媒を蒸発除去し、コアシェルゴム粒子がエポキシ樹脂中に一次粒子の状態で分散したマスターバッチを得る。かかる方法で製造されたコアシェルゴム粒子分散エポキシマスターバッチとしては、(株)カネカから市販されている“カネエース(登録商標)”を用いることができる。
 コアシェルゴム粒子の含有量は、全エポキシ樹脂成分100質量部に対して1質量部以上10質量部以下であることが好ましく、1質量部以上8質量部以下であることがより好ましい。1質量部以上とした場合、高靱性の樹脂硬化物が得られため好ましく、10質量部以下とした場合、高弾性率の硬化物が得られ、さらに樹脂中のコアシェルゴム粒子の分散性も良好となるため好ましい。
 エポキシ樹脂組成物にコアシェルゴム粒子を混合する方法としては、一般に用いられる分散方法を用いることが出来る。例えば三本ロール、ボールミル、ビーズミル、ジェットミル、ホモジナイザー、自転・公転ミキサー等を用いる方法が挙げられる。また、前述のコアシェルゴム粒子分散エポキシマスターバッチを混合する方法も好ましく用いることが出来る。ただし、一次粒子の状態で分散していても、必要以上の加熱や粘度の低下によって再凝集が起こることがある。したがって、コアシェルゴム粒子の分散・配合、および分散後に他成分と混合・混練する場合は、コアシェルゴム粒子の再凝集が起こらない温度・粘度の範囲で行うことが好ましい。具体的には、組成物により異なるが、例えば、150℃以上の温度で混練した場合、組成物の粘度が下がり凝集が起こる可能性があるので、それより低い温度で混練することが好ましい。ただし、硬化プロセス中で150℃以上に達する場合については、昇温時にゲル化が伴って再凝集が妨げられるから、150℃を超えることが出来る。
 本発明のエポキシ樹脂組成物において、E型粘度計による等温測定より得られる、主剤と硬化剤を混合してから110℃一定で30分後の樹脂粘度をη(単位:mPa・s)とするとき、1≦η≦50であることが好ましい。成形型内に配置した強化繊維基材からなるプリフォームに、本発明のエポキシ樹脂組成物を注入する場合、注入温度において、本発明のエポキシ樹脂組成物の反応性が高いと、注入過程で粘度が増加してしまい含浸性が低下して未含浸部が生じたり、成形に時間がかかったりする等、成形が困難になる場合がある。このため、本発明のエポキシ樹脂組成物において、上記のとおり、主剤と硬化剤を混合してから110℃一定における30分後の粘度は1≦η≦50mPa・sであることが好ましい。なお、粘度測定にはJIS Z 8803:1991における「円すい-板形回転粘度計による粘度測定方法」に従い、標準コーンローター(1°34’×R24)を装備したE型粘度計(東機産業(株)製TPE-100H)を使用して、回転速度50回転/分にて測定することができる。
 生産性が重要視される航空機、自動車分野で特に用いられるRTM法においては、短時間で十分硬化が進行することが好ましく、本発明におけるエポキシ樹脂組成物は、190℃で30分間硬化した樹脂硬化物のガラス転移温度Tgが160℃以上190℃以下であることが好ましい。繊維強化複合材料の耐熱性は、エポキシ樹脂組成物を硬化してなるエポキシ樹脂硬化物のガラス転移温度に依存し、Tgを160℃以上とすることにより、樹脂硬化物の耐熱性が確保され、190℃以下とすることにより、エポキシ樹脂組成物の硬化収縮が抑制され、しかも、エポキシ樹脂組成物と強化繊維との熱膨張の違いから生じる繊維強化複合材料の表面品位の悪化を防ぐことができる。また、耐熱性と表面品位の関係から、より好ましくは170℃以上190℃以下である。ここで、エポキシ樹脂組成物を硬化してなる樹脂硬化物のガラス転移温度は、動的粘弾性測定(DMA)装置を用いた測定により求められる。すなわち、樹脂硬化板から切り出した矩形の試験片を用いて、昇温下DMA測定を行い、得られた貯蔵弾性率G’の変曲点の温度をTgとする。測定条件は、実施例に後述のとおりである。
 本発明の繊維強化複合材料は、エポキシ樹脂と硬化剤を含むエポキシ樹脂組成物を加熱した成形型内に配置した強化繊維基材に注入し、含浸させ、該成形型内で硬化してなる。その具体的な成形方法としては前記した通り、生産性や得られる成形体の形状自由度といった観点で、RTM法が好適に用いられる。また、かかる繊維強化複合材料の製造方法においては、成形型に複数の注入口を有するものを用い、エポキシ樹脂組成物を複数の注入口から同時に、または時間差を設けて順次注入する等、得ようとする繊維強化複合材料に応じて適切な条件を選ぶことが、様々な形状や大きさの成形体に対応できる自由度が得られるために好ましい。かかる注入口の数や形状に制限はないが、短時間での注入を可能にするために注入口は多い程良く、その配置は、成形品の形状に応じて樹脂の流動長を短くできる位置が好ましい。
 本発明の繊維強化複合材料に用いられる強化繊維基材としては、ホットメルト性のバインダー(タッキファイヤー)を用いて強化繊維織物等のシート状基材を積層、賦形し、所望の製品と近い形状に加工したプリフォームを使用することが多い。ホットメルト性のバインダーとしては、熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂ともに適用可能である。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリアミド、ポリスルホン、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンエーテル、ポリイミドおよびポリアミドイミド等の樹脂が挙げられる。また、熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂やビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂およびフェノール樹脂等が挙げられる。バインダーの形態としては、特に限定されるものではないが、フィルム、テープ、長繊維、短繊維、紡績糸、織物、ニット、不織布、網状体、粒子等の形態を採用することができる。中でも、粒子形態、または不織布が特に好適に使用できる。なお、バインダーが粒子形態である場合をバインダー粒子、バインダーが不織布である場合をバインダー不織布という。
 バインダーの形態として粒子形態を採用する場合、その平均粒子径は10μm以上500μm以下であることが好ましい。ここで平均粒子径はメディアン径を指し、バインダー粒子の平均粒子径は、例えばレーザー回折型粒度分布計等を用いて測定することができる。平均粒子径が10μmよりも小さい場合は、プリフォームとした時の接着強度および作業性が低下する場合がある。かかる観点から、平均粒子径は30μm以上であることがより好ましい。平均粒子径が500μmよりも大きい場合は、プリフォームとした時に強化繊維にうねりが生じ、得られる繊維強化複合材料の力学特性の低下が生じる場合がある。かかる観点から、平均粒子径は300μm以下であることがより好ましい。
 バインダーの形態として不織布を採用する場合、その平均直径は10μm以上300μm以下であることが好ましい。ここで平均直径は、走査型電子顕微鏡にてバインダー不織布の断面を観察し、任意に選択された100個の繊維について直径を測長し、その平均値を算出する。繊維の断面形状が真円でない場合、短径をその直径として測定する。平均直径が10μmよりも小さい場合は、プリフォームの接着強度が低下する場合がある。平均直径が300μmよりも大きい場合は、プリフォームの強化繊維にうねりが生じ、得られる繊維強化複合材料の力学特性の低下が生じる場合がある。かかる観点から、平均直径は100μm以下であることがより好ましい。
 バインダーは強化繊維基材の少なくとも表面に付着されてバインダー付き強化繊維基材として用いられる。また、バインダー付き強化繊維基材は、前記したバインダーを少なくとも表面に有しており、プリフォームに使用される。
 バインダーが繊維強化基材の表面に付着される場合の付着量としては、片面または両面に、片面当たり0.5g/m以上30g/m以下であることが好ましく、1g/m以上10g/m以下の目付で付着していることがより好ましい。付着量が0.5g/mよりも少ない場合、プリフォームとした時の形態固定が難しくなる場合があり、30g/mよりも多い場合、マトリックス樹脂の含浸性が乏しくなり、ボイドが発生する場合がある。
 また、バインダーの形態として不織布を採用する場合、基材上に均一にバインダーを配置することが可能なため、マトリックス樹脂の含浸流路が確保され、特に含浸性に優れ、ボイドが極めて発生しにくく、さらに粒子形態の場合よりもバインダーの付着量が少ない場合でも、プリフォームとした時の形態固定の効果を同等に維持することができ、繊維強化複合材料としたときにマトリックス樹脂が本来有する高い耐熱性や力学特性を発現できるため好ましい。
 プリフォームは、前記したバインダーを少なくとも表面に有するバインダー付き強化繊維基材を積層し、形態を固定してなる。バインダーを、加熱により強化繊維基材の少なくとも片面の少なくとも表面に付着させてバインダー付き強化繊維基材とした後、これを複数枚積層することにより、バインダーを少なくとも積層層間に有する積層体が得られる。その後、加熱および冷却をし、バインダーが基材層間を固着して形態を固定することで、バインダーを少なくとも積層層間に有するプリフォームが得られる。
 通常、プリフォームは、バインダーが付着したバインダー付き強化繊維基材を所定の形状に切り出し、型の上で積層し、適切な熱と圧力を加えて作製することができる。加圧の手段はプレスを用いることもできるし、真空バッグフィルムで覆って内部を真空ポンプで吸引して大気圧により加圧する方法を用いることもできる。
 本発明における繊維強化複合材料は、強化繊維の繊維体積含有率が45%以上70%以下の範囲内であることが好ましく、50%以上65%以下の範囲内であることがより好ましい。繊維体積含有率が45%以上70%以下の範囲の場合、高弾性率であり軽量化効果に優れ、なおかつ、強化繊維同士の擦過による強度低下がなく、引張強度等の力学特性に優れる繊維強化複合材料が得られる。
 本発明における繊維強化複合材料において、前記不織布形態のバインダーの融点以上の温度に加熱した際に、エポキシ樹脂組成物がゲル化していない温度が存在することが好ましい。ここでエポキシ樹脂組成物のゲル化とは、樹脂中のエポキシ樹脂と硬化剤の反応が進行し、流動性がなくなることを意味し、ATD-1000(Alpha Technologies(株)製)等の熱硬化測定装置を用いて所定温度でのエポキシ樹脂組成物の動的粘弾性測定を行い、硬化反応進行に伴うトルク上昇から求められる複素粘性率が1.0×10Pa・sに達した際の温度をゲル化温度とする。
 不織布形態のバインダーを融点以上の温度に加熱した場合、バインダーを形成するポリマー分子鎖の絡み合いが緩くなる。この周りにゲル化していないエポキシ樹脂組成物が存在すると、緩くなったポリマー分子鎖の隙間にエポキシ樹脂組成物が入り込み、その状態でエポキシ樹脂がゲル化を経て硬化することで、樹脂とポリマー分子鎖が絡み合って界面接着強度が向上し、耐衝撃性やマイクロクラック耐性が向上することがあるため好ましい。
 本発明の繊維強化複合材料に用いられる不織布形態のバインダーは、融点が165℃以上180℃以下であるポリアミドからなることが好ましい。ポリアミドの融点が165℃以上の場合、硬化時に形態を保持でき、十分な塑性変形が可能な層間厚みを均一に確保出来たり、不織布が連続相であるため、クラックを効率的に遮断することができ耐衝撃性が発現したりするため好ましい。ポリアミドの融点が180℃以下の場合、エポキシ樹脂組成物のゲル化温度より低い温度でポリアミドが融解しだすため、緩くなったポリアミド分子鎖の隙間にエポキシ樹脂組成物が入り込み、その状態でエポキシ樹脂がゲル化を経て硬化することで、樹脂とポリアミド分子鎖が絡み合って界面接着強度が向上し、耐衝撃性やマイクロクラック耐性が向上することがあるため好ましい。
 本発明における強化繊維は特に限定されないが、ガラス繊維、炭素繊維、黒鉛繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維および炭化ケイ素繊維等が挙げられる。これらの強化繊維を2種以上混合して用いても構わない。中でも、より軽量で、より耐久性の高い繊維強化複合材料を得るために、炭素繊維や黒鉛繊維を用いることが好ましい。特に、材料の軽量化や高強度化の要求が高い用途においては、優れた比弾性率と比強度を有することから、炭素繊維が好適に用いられる。
 炭素繊維としては、用途に応じてあらゆる種類の炭素繊維を用いることが可能であるが、耐衝撃性の点から高くとも400GPaの引張弾性率を有する炭素繊維であることが好ましい。また、強度の観点からは、高い剛性および機械強度を有する複合材料が得られることから、引張強度が4.4GPa以上6.5GPa以下の炭素繊維であることが好ましい。また、引張伸度も重要な要素であり、1.7%以上2.3%以下の高強度高伸度炭素繊維であることが好ましい。従って、引張弾性率が少なくとも230GPaであり、引張強度が少なくとも4.4GPaであり、引張伸度が少なくとも1.7%であるという特性を兼ね備えた炭素繊維が最も適している。
 炭素繊維の市販品としては、“トレカ(登録商標)”T800G-24K、“トレカ(登録商標)”T800S-24K、“トレカ(登録商標)”T700G-24K、“トレカ(登録商標)”T300-3K、および“トレカ(登録商標)”T700S-12K(以上東レ(株)製)等が挙げられる。
 本発明における繊維強化複合材料は、エポキシ樹脂組成物の硬化物と強化繊維基材とを含むものである。強化繊維基材としては、一方向材に加えて織物、編物やマットなどの強化繊維基材が組み合わせられる。繊維強化複合材料が、特に航空機分野で用いられる場合には、高い耐熱性や力学特性が要求される。本発明の繊維強化複合材料は、耐熱性に優れ、かつエポキシ樹脂硬化物が有している高い機械特性が反映されるため、湿熱時の圧縮強度が高く、1100MPa以上、より好ましくは1200MPa以上という、高い湿熱時0°圧縮強度を示すことができる。また、衝撃後圧縮強度は260MPa以上が好ましく、より好ましくは、265MPa以上という、高い衝撃後圧縮強度を示すことができる。
 本発明における繊維強化複合材料は、マイクロクラック耐性に優れる。ここでマイクロクラックとは、航空機用途で使用される繊維強化複合材料で発生することがある数十μm程度の微小なクラックのことであり、70℃程度の高温から-50℃程度の低温までの温度変化が繰り返される環境に何度も暴露されると発生しやすいことが知られている。繊維強化複合材料内のマトリックス樹脂が70℃程度の高温から-50℃程度の低温の雰囲気下にさられるとマトリックス樹脂自身が収縮しようとするが、周囲をほとんど収縮しない強化繊維によって囲まれているため収縮することができず、結果としてマトリックス樹脂自身の内部に引張の応力が内在(熱残留応力)することとなり、これが繰り返されると環境疲労が蓄積し繊維強化複合材料の内部にマイクロクラックが発生することがある。この現象は特に樹脂リッチ部において顕著であり、マイクロクラックも樹脂リッチ部に発生することが多い。マイクロクラックが発生したまま、更なる環境疲労が加わると、マイクロクラックはより巨大なクラックへとさらに成長し、最後にはその巨大なクラックにより繊維強化複合材料の力学特性を低下させてしまう恐れがある。RTM法の制約上、成形時に樹脂の流路が必要となるため、樹脂リッチ部を全くなく繊維強化複合材料を成形することは困難であり、環境疲労により発生するマイクロクラックを防止するためにはマトリックス樹脂硬化物の破壊靭性を高めること、および、マトリックス樹脂に発生する残留熱応力が高くなりすぎないように弾性率を適度に押さえることが効果的である。
 マイクロクラック数の具体的な算出方法としては、市販の恒温恒湿槽と環境試験機を用いて以下a.b.cの手順に示すような環境条件にさらした後、試験片の縦方向の中央から±10mmの領域から幅25mmを切り出し、切り出し面を観察面として研磨し、市販の顕微鏡を用いて200倍の倍率で観察面を観察し発生しているクラックの数を計測することで求められる。
 a.市販の恒温恒湿槽を用い49℃、95%/RHの環境に12時間暴露する。
 b.暴露後に、市販の環境試験機に移し、まず-54℃の環境下に1時間暴露する。その後10℃±2℃/分の昇温速度で71℃まで昇温させる。昇温後71℃で5分±1分保持した後、10℃±2℃/分で-54℃まで降温させ、-54℃で5分±1分保持する。この-54℃から71℃まで昇温しまた-54℃まで降温させるサイクルを1サイクルと定義し、このサイクルを200回繰り返す。
 c.上記の恒温恒湿槽での環境暴露および環境試験機でのサイクルをあわせて1ブロックと定義し、5ブロック繰り返す。
 上記方法で観察されるマイクロクラック数は、繊維強化複合材料の長期耐久性という観点から、5個以下であることが好ましく、より好ましくは3個以下である。
 本発明のエポキシ樹脂組成物を用いた繊維強化複合材料の製造方法として、具体的に、リキッド・コンポジット・モールディング法、レジン・フィルム・インフュージョン法、フィラメントワインディング法、ハンドレイアップ法、プルトルージョン法、プリプレグ法等が挙げられる。
 リキッド・コンポジット・モールディング法とは、強化繊維よりなる、いわゆるプリフォーム、即ち、最終成形品の形状にほぼ近似したところまで予備成形した、シート状もしくは三次元曲面を持たせた織物、マット等に、液状のエポキシ樹脂組成物を注入した後、エポキシ樹脂組成物を硬化せしめ、繊維強化複合材料とする方法である。本製造方法は、複雑な形状の部材を成形でき、生産性も良いことから、多用される成形法である。本製造方法には、RTM法、SRIM(Structural Reaction Injection Molding)法、VaRTM(Vacuum-assisted Resin Transfer Molding)法、SCRIMP(Seeman’s Composite Resin Infusion Molding Process)法、特表2005-527410に記載の樹脂供給タンクを大気圧よりも低い圧力まで排気し、循環圧縮を用い、かつ正味の成形圧力を制御することにとよって、樹脂注入プロセス、特に真空補助樹脂トランスファ成形プロセスをより適切に制御するCAPRI(Controlled Atmospheric Pressure Resin Infusion)法等がある。
 フィラメントワインディング法とは、強化繊維束にエポキシ樹脂組成物を含浸させ、芯金に巻き取った後、エポキシ樹脂組成物を硬化せしめ、繊維強化複合材料とする方法である。本製造方法は、円筒状の部材を容易に成形でき、生産性も良いことから、多用される成形法である。
 ハンドレイアップ法とは、強化繊維よりなるプリフォームに、エポキシ樹脂組成物の必要にして十分な量をローラー掛けして含浸せしめた後、エポキシ樹脂組成物を硬化せしめ、繊維強化複合材料とする方法である。
 プルトルージョン法とは、強化繊維束に、エポキシ樹脂組成物を含浸せしめた後、加熱金型中に該強化繊維束を通してエポキシ樹脂組成物を硬化せしめた後、引取機を用いて成形体を引き抜き、繊維強化複合材料とする方法である。プルトルージョン法は連続した強化繊維を利用するため高強度、高剛性の繊維強化複合材料が得られ易い。
 本発明のエポキシ樹脂組成物は、これらのなかでも、複雑形状の繊維強化複合材料を効率よく得られるという観点から、リキッド・コンポジット・モールディング法に好適に用いられ、その中でもRTM法に用いられることが好ましい。RTM法とは、強化繊維からなる繊維基材あるいはプリフォームを成形型内に設置し、その成形型内に液状のマトリックス樹脂を注入して強化繊維に含浸させ、その後に加熱して該エポキシ樹脂組成物を硬化させて、成形品である繊維強化複合材料を得る方法である。本発明の繊維強化複合材料の製造方法はかかる、RTM法に関するものである。すなわち、エポキシ樹脂として次の成分[A]および成分[B]を含む主剤液と、硬化剤として次の成分[C]および成分[D]とを含み、23℃で液状である硬化剤液とを混合した後、90℃以上130℃以下に加熱した成形型内に配置した強化繊維基材に注入し、含浸させ、該成形型内で160℃以上200℃以下で硬化を行う繊維強化複合材料の製造方法であって、成分[B]が全エポキシ樹脂成分100質量部に対して10質量部以上50質量部以下含まれ、かつエポキシ樹脂に含まれるエポキシ基総数(E)と硬化剤中に含まれるアミン化合物の活性水素総数(H)との比であるH/Eが1.0以上1.4以下である繊維強化複合材料の製造方法である。
 [A]1つ以上のグリシジルアミノ基を有するエポキシ樹脂
 [B]ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂、およびナフタレン型エポキシ樹脂から選ばれる少なくとも1つのエポキシ樹脂
 [C]液状芳香族ジアミン
 [D]結晶性芳香族ジアミン
 本発明の製造方法に用いる型は、剛性材料からなるクローズドモールドを用いてもよく、剛性材料のオープンモールドと可撓性のフィルム(バッグ)を用いることも可能である。後者の場合、強化繊維基材は、剛性材料のオープンモールドと可撓性フィルムの間に設置することができる。剛性材料としては、スチールやアルミニウム等の金属、繊維強化プラスチック(FRP)、木材、石膏等既存の各種のものが用いられる。可撓性のフィルムの材料には、ポリアミド、ポリイミド、ポリエステル、フッ素樹脂、シリコーン樹脂等が用いられる。
 本発明の製造方法において、剛性材料のクローズドモールドを用いる場合は、加圧して型締めし、繊維強化複合材料エポキシ樹脂組成物を加圧して注入することが通常行われる。このとき、注入口とは別に吸引口を設け、真空ポンプに接続して吸引することも可能である。吸引を行い、特別な加圧手段を用いることなく大気圧のみでエポキシ樹脂組成物を注入することも可能である。この方法は、複数の吸引口を設けることにより大型の部材を製造することができるため、好適に用いることができる。
 本発明の製造方法において、剛性材料のオープンモールドと可撓性フィルムを用いる場合は、通常、吸引を行い、特別な加圧手段を用いることなく大気圧のみでエポキシ樹脂を注入するVaRTM法を用いる。WO01/41993A2に引用されるCAPRI法のごとく、大気圧より低い圧力に注入圧力を調製する方法も可能である。大気圧あるいはそれ以下の圧力による注入で良好な含浸を実現するためには、US4902215に示されるような樹脂拡散媒体を用いることが有効である。さらに、強化繊維からなる繊維基材あるいはプリフォームの設置に先立って、剛性材料の表面にゲルコートを塗布することが好ましく行われる。なお、型として剛性材料のクローズドモールドを用いる場合、成形型内とは、当該クローズドモールドで形成されるキャビティ内のことを意味し、剛性材料のオープンモールドと可撓性フィルムを用いる場合、成形型内とは、当該オープンモールドと可撓性フィルムに挟まれる空間内のことを意味する。
 また、成形型内には、強化繊維以外にフォームコア、ハニカムコア、金属部品等を設置し、これらと一体化した複合材料を得ることも可能である。特にフォームコアやハニカムコアの両面に強化繊維を配置して成形して得られるサンドイッチ構造体は、軽量で大きな曲げ剛性を持つので、有用である。
 本発明のエポキシ樹脂組成物は、全成分をバッチで混合した単一の液体を単一の容器から型に注入することも、主剤液と硬化剤液を別々の容器に格納し、混合器を経由して型に注入することも、主剤液と硬化剤液を別々の容器に格納し、混合器を経由して別の容器に送液し、当該別の容器から大気圧で型に注入することも可能である。主剤液と硬化剤液を別々に液状のものとすることで、該主剤液と該硬化剤液とを混合した混合物も低粘度な液状とすることができ、強化繊維へ含浸させることが容易になる。またエポキシ主剤液と硬化剤液とを別々に保管するため、保管条件に特に制限なく長期保管も可能となる。
 樹脂の粘度特性は温度に敏感に依存するため、樹脂注入工程では、エポキシ樹脂組成物の容器、型ともにそれぞれ一定の温度に保持されることが好ましい。注入工程における型の温度、すなわち注入温度は、強化繊維基材への含浸性を高める観点から、エポキシ樹脂組成物の初期粘度と粘度上昇の関係を基に、90℃以上130℃以下の範囲から選択した温度であることが好ましい。
 エポキシ樹脂の注入完了後、成形型内で加熱硬化を行う。成形型内の加熱硬化は、注入時の型の温度のまま一定時間保持して行う方法、最高硬化温度まで昇温し一定時間保持して硬化させる方法、注入時の型の温度と最高硬化温度の中間の温度まで昇温し、一定時間保持した後再度昇温し、最高硬化温度に達した後一定時間保持して硬化させる方法のいずれも用いることが可能である。成形型内での硬化における最高硬化温度の保持時間は15分以上2時間以下が好ましく、15分以上90分以下であることがより好ましい。
 脱型後、成形型内の最高硬化温度より高い温度でアフターキュアすることも可能である。この場合、成形型内の硬化はプリキュアになる。アフターキュアの時間は、15分以上2時間以下が好ましく、15分以上1時間以下であることがより好ましい。耐熱性が要求される繊維強化複合材料を製造する場合は、最終的には160℃以上200℃以下の温度で硬化することが好ましい。
 例えば、主剤液と硬化剤液を用い、樹脂注入完了後、最高硬化温度まで昇温し一定時間保持して硬化させる方法を用いる場合、主剤液および硬化剤液を90℃以上130℃以下で混合することが好ましく、注入工程における型の温度、すなわち注入温度は、強化繊維基材への含浸性を高める観点から、エポキシ樹脂組成物の初期粘度と粘度上昇の関係を基に、90℃以上130℃以下の範囲から選択した温度であることが好ましく、該成形型内で160℃以上200℃以下の温度で加熱硬化を行うことが好ましい。
 エポキシ樹脂組成物の注入圧力は、通常0.1MPa以上1.0MPa以下で、成形型内を真空吸引して樹脂組成物を注入するVaRTM法も用いることができる。注入時間と設備の経済性の点から0.1MPa以上0.6MPaが好ましい。また、加圧注入を行う場合でも、樹脂組成物を注入する前に成形型内を真空に吸引しておくと、ボイドの発生が抑えられ好ましい。さらに、ボイド発生抑制の観点から、本発明のエポキシ樹脂組成物の110℃、0.1MPa、60分間暴露後の揮発量は1%以下であることが好ましく、0.5%以下であることがより好ましい。
 なお、以上に記した数値範囲の上限及び下限は、任意に組み合わせることができる。
 本発明の繊維強化複合材料は優れた機械特性、湿熱時圧縮強度、耐衝撃性、マイクロクラック耐性を有するため、胴体、主翼、尾翼、動翼、フェアリング、カウル、ドア、座席、内装材等の航空機部材、モーターケース、主翼等の宇宙機部材、構体、アンテナ等の人工衛星部材、外板、シャシー、空力部材、座席等の自動車部材、構体、座席等の鉄道車両部材、船体、座席等の船舶部材等多くの構造材料に好ましく用いることができる。
 以下、実施例により、本発明におけるエポキシ樹脂組成物等についてさらに詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。また、各種特性(物性)の測定は、特に断りのない限り温度23℃、相対湿度50%の環境下で行った。
 <樹脂原料>
 各実施例・比較例の樹脂組成物を得るために、以下の樹脂原料を用いた。なお、表中の樹脂組成物の欄における各成分の数値は含有量を示し、その単位は、特に断らない限り「質量部」である。また、表中、各成分の製品名について、「(登録商標)」の表示は省略する。
 (1)エポキシ樹脂
成分[A]:1つ以上のグリシジルアミノ基を有するエポキシ樹脂
成分[A1]:3つ以上のエポキシ基を有し、1つ以上のグリシジルアミノ基を有するエポキシ樹脂
・“アラルダイト(登録商標)”MY721(N,N,N’,N’-テトラグリシジル-4,4’-ジアミノジフェニルメタン、エポキシ当量:113g/mol、ハンツマン・ジャパン(株)製)
・“jER(登録商標)”630(N,N-ジグリシジル-4-グリシジルオキシアニリン、エポキシ当量:98g/mol、三菱ケミカル(株)製)
成分[A2]:ジグリシジルアニリンまたはその誘導体
・GAN(グリシジルアニリン型エポキシ樹脂(N,N-ジグリシジルアニリン)、日本化薬(株)製)
・GOT(グリシジルアニリン型エポキシ樹脂(N,N-ジグリシジル-o-トルイジン)、日本化薬(株)製)
成分[B]:ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂から選ばれる少なくとも1つのエポキシ樹脂
・“EPICLON”HP-7200L(ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、エポキシ当量246g/eq、軟化点55℃、DIC(株)製)
・“EPICLON”HP-7200(ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、エポキシ当量260g/eq、軟化点 61℃、DIC(株)製)
・“EPICLON(商標登録)”HP-7200H(ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、エポキシ当量278g/eq、軟化点83℃、DIC(株)製)。
・“NC-3000H(フェノールアラルキル型エポキシ樹脂、エポキシ当量290g/eq、軟化点70℃、日本化薬(株)製)
・“EPICLON”HP-4770(ナフタレン型エポキシ樹脂、エポキシ当量204g/eq、軟化点 72℃、DIC(株)製)
・“EPICLON”HP-4700(ナフタレン型エポキシ樹脂、エポキシ当量165g/eq、軟化点 91℃、DIC(株)製)
・“EPICLON(商標登録)”HP-4032D(ナフタレン型エポキシ樹脂、エポキシ当量143g/eq、液状、DIC(株)製)。
・NC-3000(フェノールアラルキル型エポキシ樹脂、エポキシ当量275g/eq、軟化点 58℃、日本化薬(株)製)。
 (2)硬化剤
成分[C]:液状芳香族ジアミン
成分[C1]:ジエチルトルエンジアミン
・“jERキュア(登録商標)”W(2,4-ジエチル-6-メチル-m-フェニレンジアミンと4,6-ジエチル-2-メチル-m-フェニレンジアミンを主成分とする混合物、活性水素当量:45g/mol、液状、三菱ケミカル(株)製)
成分[C2]:4,4’-ジアミノ-3,3’-ジエチルジフェニルメタン
・“カヤハード(登録商標)”A-A(PT)(4,4’-ジアミノ-3,3’-ジエチルジフェニルメタンを主成分とする混合物、活性水素当量:64g/mol、液状、日本化薬(株)製)
成分[D]:結晶性芳香族ジアミン
成分[D1]:4,4’-メチレンビス(2-イソプロピル-6-メチルアニリン)
・“ロンザキュア(登録商標)”M-MIPA(4,4’-メチレンビス(2-イソプロピル-6-メチルアニリン、活性水素当量:78g/mol、Lonza(株)製)。
 (3)添加剤
成分[E]:コアシェルゴム粒子
・“カネエース(登録商標)”MX-416(“アラルダイト(登録商標)”MY721:75質量%/コアシェルゴム粒子(体積平均粒子径:100nm、コア部分:架橋ポリブタジエン、シェル部分:メタクリル酸メチル/グリシジルメタクリレート/スチレン共重合ポリマー):25質量%のマスターバッチ、(株)カネカ製)。
 <エポキシ樹脂組成物の調製>
 表に記載した含有割合で各成分を混合したエポキシ樹脂からなる主剤液と、硬化剤液を調製した後、主剤液と硬化剤液を混合することでエポキシ樹脂組成物を調製した。23℃で主剤液および硬化剤液が均一に相溶しない場合は、含有する成分の軟化点または融点以上に加熱、混合して調製した。
 <樹脂硬化板の作製>
 上記で調製したエポキシ樹脂組成物を減圧下で脱泡した後、2mm厚または6mm厚の“テフロン(登録商標)”製スペーサーにより厚みが2mmまたは6mmになるように設定したモールド中に注入した。190℃の温度で30分間硬化させ、厚さ2mmまたは6mmの樹脂硬化板を得た。
 <バインダーの作製>
 以下の製造方法に従ってバインダーを作製した。1個のオリフィスを設けた口金から吐出したPA-1(結晶性のポリアミド、融点:170℃)の繊維を、先端に衝撃板を設けたアスピレータと圧縮空気を用いて延伸した後、金網状に散布して捕集した。金網上に捕集した繊維シートを、加熱プレス機を用いて熱接着し、不織布形態のバインダーを作製した。
 <バインダー付き強化繊維基材の作製>
 得られたバインダーを、炭素繊維一方向織物(平織、縦糸:炭素繊維T800S-24K-10C 東レ(株)製、炭素繊維目付295g/m、縦糸密度7.2本/25mm、横糸:ガラス繊維ECE225 1/0 1Z 日東紡(株)製、横糸密度7.5本/25mm)の片面に付着させた。付着量は5g/mとした。その後、遠赤外線ヒーターを使用して加熱し、バインダーを融着させ、片側表面にバインダーが付与されたバインダー付き強化繊維基材を得た。
 <評価>
 各実施例における評価は以下の通りに行った。なお、測定n数は特に断らない限り、n=1である。
 (1)樹脂組成物のゲル化温度の測定
 測定すべき検体を、熱硬化測定装置ATD-1000(Alpha Technologies(株)製)を用いて110℃に加熱したステージにサンプルを投入し、周波数1.0Hz、歪み1%、昇温速度5℃/分で200℃まで加熱しながら動的粘弾性測定を行い、複素粘度を求めた。このとき、複素粘度が1.0×10Pa・sに達した温度をゲル化温度とした。なお、検体としては、各成分を混合し、1分間攪拌後のエポキシ樹脂組成物を用いた。
 (2)110℃30分保持後の樹脂組成物の粘度の測定
 測定すべき検体を、JIS Z 8803:1991における「円すい-平板形回転粘度計による粘度測定方法」に従い、標準コーンローター(1°34’×R24)を装着したE型粘度計を使用して、110℃に保持した状態で測定した。E型粘度計としては、東機産業(株)製TPE-100Hを用いた。なお、検体としては、各成分を混合し、1分間攪拌後のエポキシ樹脂組成物を用いた。
 (3)エポキシ樹脂硬化物の吸水率測定
 2mm厚の樹脂硬化板から幅12.7mm、長さ40mmの試験片を切り出し、60℃に設定した真空乾燥機で24時間真空乾燥を行った後、乾燥質量W1を測定した。次いで98℃設定の恒温水槽に48時間浸漬した後、吸水質量W2を測定した。吸水率は(W2-W1)/W1で算出した。
 (4)エポキシ樹脂硬化物のガラス転移温度Tg測定
 2mm厚の樹脂硬化板から幅12.7mm、長さ40mmの試験片を切り出し、粘弾性測定装置ARES(TAインスツルメンツ社製)を用いてTg測定を行った。測定条件は、昇温速度5℃/分である。測定で得られた貯蔵弾性率G’の変曲点での温度をTgとした。吸水後のガラス転移温度Tgは、試験片を98℃設定の恒温水槽に48時間浸漬した試験片を使用して同様の条件で測定した。
 (5)エポキシ樹脂硬化物の曲げ弾性率測定
 2mm厚の樹脂硬化物の板から幅10mm、長さ60mmの試験片を切り出し、インストロン万能試験機(インストロン社製)を用い、スパン間32mmの3点曲げを測定し、JIS K 7171:1994に従い、曲げ弾性率を求めた。吸水後の曲げ弾性率は、試験片を98℃設定の恒温水槽に48時間浸漬した後、恒温槽を使用して82℃の条件下で同様に曲げ弾性率を測定した。
 (6)樹脂硬化物の靱性(KIC)測定
 6mm厚の樹脂組成物を12.7×150mmのサイズにカットし、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靱性(KIC)の測定をおこなった。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、樹脂硬化物の靱性とは、変形モードI(開口型)の臨界応力拡大係数のことを指している。
 (7)強化繊維への樹脂含浸性
 繊維強化複合材料の作製の際の樹脂注入工程における含浸性について、以下に従い評価した。
 400mm×400mm×1.2mmの板状キャビティを有する金型に、395mm×395mmに切り出した前記バインダー付き強化繊維基材を、繊維方向を0°として、0°方向に揃えて4枚積層したものをセットし、型締めを行った。続いて、金型を130℃に加温した後、別途予め80℃に加温したエポキシ樹脂組成物を、樹脂注入装置を用い、注入圧0.2MPaで成形型内に注入した。注入後、金型を130℃のまま2時間保持した後、30℃まで降温して、脱型した。脱型後、後硬化として30℃から180℃まで速度1.5℃/minで昇温して、180℃で30分硬化した後、30℃まで降温して後硬化を行い、繊維強化複合材料の成形品を得た。
 成形品の中心を通るように90°方向に切断し、平滑に研磨した成形品の1断面の全領域を落斜型光学顕微鏡で200倍の倍率で観察し、成形品中のボイドの面積率を算出し、成形品中のボイド量とした。
 成形品中のボイド量が1%未満の場合、十分な含浸性を有するとした。
 (実施例1)
 表1に示すとおり、成分[A]として“アラルダイト(登録商標)”MY721を25部、GANを30部、成分[B]として“EPICLON”HP-7200Lを30部、成分[E]として“カネエース(登録商標)”MX-416を20部加え、120℃で1時間撹拌し均一な主剤液とした。
 また、主剤液とは別の容器に、成分[C]としてjERキュア(登録商標)”Wを16.5部、構成成分[D]として“ロンザキュア(登録商標)”M-MIPAを33部加え、100℃で1時間撹拌し均一な硬化剤液とした。本硬化剤液は、23℃で液状であった。
 次いで、主剤液と硬化剤液を混合してエポキシ樹脂組成物とし、樹脂のゲル化温度と110℃30分保持後の粘度を測定した結果、それぞれ188℃、9mPa・sであり、不織布との接着性、含浸性に優れるものであった。また、前述の方法により樹脂硬化物を作製し、硬化物のTgおよび曲げ弾性率を測定した結果、硬化物のTgは160℃、硬化物の曲げ弾性率は3.7GPaであり十分な耐熱性と力学特性を有していた。また、硬化物の吸水率は2.0%で、吸水後の硬化物のTgは153℃、吸水後の曲げ弾性率は3.1GPaであり、優れた湿熱特性を有していた。さらに、樹脂靭性は1.0MPa・m0.5であり、優れた樹脂靭性を有していた。
 (実施例2、3)
 成分[B]の種類、および各成分の配合量を表1に示すように変更した以外は、実施例1と同様にエポキシ樹脂組成物を調製し、樹脂のゲル化温度と110℃30分保持後の粘度を測定した。
 本例の硬化剤液は、23℃で液状であった。
 また、それぞれのエポキシ樹脂組成物を用いて樹脂硬化物を作製し、硬化物のTgおよび曲げ弾性率、吸水率、吸水後の硬化物のTgおよび吸水後の曲げ弾性率、樹脂靭性を測定した。樹脂のゲル化温度は強化繊維基材のバインダーの融点より高かった。成分[B]の軟化点を高いものにするに伴い、110℃30分保持後の粘度は上昇したが、十分な含浸性であった。また、成分[B]の軟化点を高いものにするに伴い、より優れた耐熱性を有した。さらに、いずれも優れた湿熱特性、樹脂靭性を有していた。
 (実施例4、5)
 成分[A]の“アラルダイト(登録商標)”MY721と成分[B]等の配合量を表1に示すように変更した以外は、実施例3と同様にエポキシ樹脂組成物を調製し、評価をした。
 本例の硬化剤液は、23℃で液状であった。
 樹脂のゲル化温度は強化繊維基材のバインダーの融点より高かった。成分[B]の配合量を増やすに伴い、110℃30分保持後の粘度は上昇したが、十分な含浸性を有した。また、成分[B]の配合量を増やすに伴い、やや耐熱性が低下するが、いずれも優れた耐熱性を有した。さらに、いずれも優れた湿熱特性、十分な樹脂靭性を有していた。
 (実施例6~8)
 エポキシ基総数(E)と硬化剤中に含まれるアミン化合物の活性水素総数(H)との比であるH/Eを表1に示すとおりとするよう、各成分の配合量を変更した以外は、実施例3と同様にエポキシ樹脂組成物を調製し、評価をした。
 本例の硬化剤液は、23℃で液状であった。
 樹脂のゲル化温度は強化繊維基材のバインダーの融点より高く、110℃30分保持後の粘度についても十分な含浸性を有する結果であった。また、H/Eを増やすに伴い、耐熱性湿熱特性はやや低下するものの、十分な特性を有していた。さらに、樹脂靭性はH/Eを増やすに伴い上昇し、H/E=1.4で特に優れた樹脂靭性を発現した。
 (実施例9)
 表2に示すとおり、成分[C]として“カヤハード(登録商標)”A-A(PT)を使用し、表2に示す配合量とした以外は、実施例3と同様にエポキシ樹脂組成物を調製し、評価をした。
 本例の硬化剤液は、23℃で液状であった。
 樹脂のゲル化温度は強化繊維基材のバインダーの融点より高く、110℃30分保持後の粘度についても十分な含浸性を有する結果であった。また、十分な耐熱性を有し、優れた湿熱特性、樹脂靭性を有していた。
 (実施例10、11)
 硬化剤成分[C]と成分[D]の比率を表2に示すとおり変更した以外は、実施例3と同様にエポキシ樹脂組成物を調製し、評価をした。
 本例の硬化剤液は、23℃で液状であった。成分[D]の比率を増やすと、110℃30分保持後の粘度が上昇するが、十分な含浸性を有する結果であった。また、成分[D]の比率を増やすと、より優れた樹脂靭性を有した。さらに、いずれも十分な耐熱性を有し、優れた湿熱特性を有した。
 (実施例12)
 表2に示すとおり、成分[A1]として“jER(登録商標)”630を使用した以外は、実施例3と同様にエポキシ樹脂組成物を調製し、評価をした。
 本例の硬化剤液は、23℃で液状であった。樹脂のゲル化温度は強化繊維基材のバインダーの融点より高く、110℃30分保持後の粘度は十分低い結果であった。また、十分な耐熱性、優れた湿熱特性と樹脂靭性を有した。
 (実施例13)
 表2に示すとおり、成分[A2]としてGOTを使用した以外は、実施例3と同様にエポキシ樹脂組成物を調製し、評価をした。
 本例の硬化剤液は、23℃で液状であった。樹脂のゲル化温度は強化繊維基材のバインダーの融点より高く、110℃30分保持後の粘度は十分低い結果であった。また、十分な耐熱性と湿熱特性、優れた樹脂靭性を有した。
 (実施例14)
 表2に示すとおり、成分[E]を含まないこと以外は、実施例6と同様にエポキシ樹脂組成物を調製し、評価をした。
 本例の硬化剤液は、23℃で液状であった。樹脂のゲル化温度は強化繊維基材のバインダーの融点より高く、110℃30分保持後の粘度は十分に低い結果であった。また、十分な耐熱性と樹脂靭性、優れた湿熱特性を有した。
 (比較例1)
 表3に示すとおり、成分[B]を含まず、成分[A]の“アラルダイト(登録商標)”MY721を55部とした以外は、実施例1と同様にエポキシ樹脂組成物を調製し、評価をした。樹脂のゲル化温度は強化繊維基材のバインダー融点より高く、110℃30分保持後の粘度は24mPa・s以下であり強化繊維への含浸性も良好であったが、吸水率が高く、吸水後の曲げ弾性率が不足した。また、樹脂靭性にも劣る結果であった。
 (比較例2)
 表3に示すとおり、成分[A1]を含まず、成分[B]の“EPICLON”HP-7200Hを70部とした以外は、実施例3と同様にエポキシ樹脂組成物を調製し、評価をした。樹脂のゲル化温度は強化繊維基材のバインダー融点より高く、吸水率が低いものであったが、110℃30分保持後の粘度が64mPa・s以下であり強化繊維への含浸性に劣り、また、樹脂靭性も劣る結果であった。
 (比較例3)
 表3に示すとおり、硬化剤中に成分[C]を含まず、成分[D]の“ロンザキュア(登録商標)”M-MIPAを70部とした以外は、実施例3と同様にエポキシ樹脂組成物を調製し、評価をした。樹脂のゲル化温度は強化繊維基材のバインダー融点より高く、吸水率が低いものであったが、110℃30分保持後の粘度が58mPa・s以下であり強化繊維への含浸性に劣る結果であった。
 (比較例4)
 表3に示すとおりH/E=0.8に変更した以外は、実施例3と同様にエポキシ樹脂組成物を調製し、評価をした。樹脂のゲル化温度は強化繊維基材のバインダーの融点より高く、110℃30分保持後の粘度についても十分な含浸性を有し、耐熱性、湿熱特性も十分な結果であったが、樹脂靭性に劣る結果であった。
 (比較例5)
 表3に示すとおりH/E=1.6に変更した以外は、実施例3と同様にエポキシ樹脂組成物を調製し、評価をした。樹脂のゲル化温度は強化繊維基材のバインダーの融点より高く、110℃30分保持後の粘度についても十分な含浸性を有し、優れた樹脂靭性を発現したが、耐熱性に劣る結果であった。
(実施例15)
 表4に示すとおり、成分[A]として“アラルダイト(登録商標)”MY721を25部、GANを30部、成分[B]としてNC-3000Hを30部、成分[E]として“カネエース(登録商標)”MX-416を20部加え、120℃で1時間撹拌し均一な主剤液とした。
 また、主剤液とは別の容器に、成分[C]としてjERキュア(登録商標)”Wを16部、構成成分[D]として“ロンザキュア(登録商標)”M-MIPAを32部加え、100℃で1時間撹拌し均一な硬化剤液とした。
 本硬化剤液は、23℃で液状であった。
 次いで、主剤液と硬化剤液を混合してエポキシ樹脂組成物とし、樹脂のゲル化温度と110℃30分保持後の粘度を測定した結果、それぞれ190℃、22mPa・sであり、不織布との接着性、含浸性に優れるものであった。また、前述の方法により樹脂硬化物を作製し、硬化物のTgおよび曲げ弾性率を測定した結果、硬化物のTgは167℃、硬化物の曲げ弾性率は3.7GPaであり十分な耐熱性と力学特性を有していた。また、硬化物の吸水率は2.2%で、吸水後の硬化物のTgは161℃、吸水後の曲げ弾性率は3.1GPaであり、優れた湿熱特性を有していた。さらに、樹脂靭性は0.9MPa・m0.5であり、優れた樹脂靭性を有していた。
 (実施例16、17)
 成分[B]の種類、および各成分の配合量を表4に示すように変更した以外は、実施例15と同様にエポキシ樹脂組成物を調製し、樹脂のゲル化温度と110℃30分保持後の粘度を測定した。
 本例の硬化剤液は、23℃で液状であった。
 また、それぞれのエポキシ樹脂組成物を用いて樹脂硬化物を作製し、硬化物のTgおよび曲げ弾性率、吸水率、吸水後の硬化物のTgおよび吸水後の曲げ弾性率、樹脂靭性を測定した。樹脂のゲル化温度は強化繊維基材のバインダーの融点より高かった。成分[B]の軟化点が高いものを用いた方が110℃30分保持後の粘度は上昇したが、十分な含浸性が得られた。また、成分[B]の軟化点を高いものを用いた方が、より優れた耐熱性を有した。さらに、いずれも優れた湿熱特性、樹脂靭性を有していた。
 (実施例18,19)
 成分[A]の“アラルダイト(登録商標)”MY721と、成分[B]の“EPICLON”HP-4770等の配合量を表4に示すように変更した以外は、実施例16と同様にエポキシ樹脂組成物を調製し、評価をした。
 本例の硬化剤液は、23℃で液状であった。
 樹脂のゲル化温度は強化繊維基材のバインダーの融点より高かった。成分[B]の配合量を増やすに伴い、110℃30分保持後の粘度は上昇したが、十分な含浸性を有した。また、成分[B]の配合量を増やすに伴い、やや耐熱性が低下するが、いずれも優れた耐熱性を有した。さらに、いずれも優れた湿熱特性、十分な樹脂靭性を有していた。
 (実施例20~22)
 エポキシ基総数(E)と硬化剤中に含まれるアミン化合物の活性水素総数(H)との比であるH/Eを表4に示すとおり変更するよう硬化剤の配合量を変更した以外は、実施例16と同様にエポキシ樹脂組成物を調製し、評価をした。
 本例の硬化剤液は、23℃で液状であった。
 樹脂のゲル化温度は強化繊維基材のバインダーの融点より高く、110℃30分保持後の粘度についても十分な含浸性を有する結果であった。また、H/Eを増やすに伴い、耐熱性湿熱特性はやや低下するものの、十分な特性を有していた。さらに、樹脂靭性はH/Eを増やすに伴い上昇し、H/E=1.4で特に優れた樹脂靭性を発現した。
 (実施例23)
 表5に示すとおり、成分[C]として“カヤハード(登録商標)”A-A(PT)を使用し、成分[D]の配合量を変更した以外は、実施例16と同様にエポキシ樹脂組成物を調製し、評価をした。
 本例の硬化剤液は、23℃で液状であった。
 樹脂のゲル化温度は強化繊維基材のバインダーの融点より高く、110℃30分保持後の粘度についても十分な含浸性を有する結果であった。また、十分な耐熱性を有し、優れた湿熱特性、樹脂靭性を有していた。
 (実施例24~27)
 硬化剤成分[C]と成分[D]の比率を表2に示すとおり変更した以外は、実施例16と同様にエポキシ樹脂組成物を調製し、評価をした。
 本例の硬化剤液は、23℃で液状であった。
 成分[D]の比率を増やすと、110℃30分保持後の粘度が上昇するが、十分な含浸性を有する結果であった。また、成分[D]の比率が多いと、より優れた樹脂靭性を示す傾向が見られた。さらに、いずれも十分な耐熱性、湿熱特性を有した。
 (実施例28)
 表5に示すとおり、成分[A1]として“jER(登録商標)”630を使用し、硬化剤成分[C]と成分[D]の配合量を若干変更した以外は、実施例16と同様にエポキシ樹脂組成物を調製し、評価をした。
 本例の硬化剤液は、23℃で液状であった。
 樹脂のゲル化温度は強化繊維基材のバインダーの融点より高く、110℃30分保持後の粘度は低い結果であった。また、十分な耐熱性、優れた湿熱特性と樹脂靭性を有した。
 (実施例29)
 表5に示すとおり、成分[A2]としてGOTを使用した以外は、実施例16と同様にエポキシ樹脂組成物を調製し、評価をした。
 本例の硬化剤液は、23℃で液状であった。
 樹脂のゲル化温度は強化繊維基材のバインダーの融点より高く、110℃30分保持後の粘度は十分低い結果であった。また、十分な耐熱性、優れた湿熱特性と樹脂靭性を有した。
 (実施例30)
 表5に示すとおり、成分[A1]の配合量を変更し、成分[E]を含まないこと以外は、実施例16と同様にエポキシ樹脂組成物を調製し、評価をした。
 本例の硬化剤液は、23℃で液状であった。
 樹脂のゲル化温度は強化繊維基材のバインダーの融点より高く、110℃30分保持後の粘度は十分に低い結果であった。また、十分な樹脂靭性、優れた耐熱性と湿熱特性を有した。
 (比較例6)
 表6に示すとおり、成分[B]を含まず、成分[A]の“アラルダイト(登録商標)”MY721を55部とし、硬化剤成分[C]と成分[D]の配合量を変更した以外は、実施例16と同様にエポキシ樹脂組成物を調製し、評価をした。樹脂のゲル化温度は強化繊維基材のバインダー融点より高く、110℃30分保持後の粘度は24mPa・sであり強化繊維への含浸性も良好であったが、吸水率が高く、吸水後の曲げ弾性率が不足した。また、樹脂靭性にも劣る結果であった。
 (比較例7)
 表6に示すとおり、成分[A1]を含まず、成分[B]の“EPICLON”HP-4770を70部とし、硬化剤成分[C]と成分[D]の配合量を変更した以外は、実施例16と同様にエポキシ樹脂組成物を調製し、評価をした。樹脂のゲル化温度は強化繊維基材のバインダー融点より高く、吸水率が低いものであったが、110℃30分保持後の粘度が51mPa・sであり強化繊維への含浸性に劣る結果であった。
 (比較例8)
 表6に示すとおり、硬化剤中に成分[C]を含まず、成分[D]の“ロンザキュア(登録商標)”M-MIPAを64部とした以外は、実施例16と同様にエポキシ樹脂組成物を調製し、評価をした。樹脂のゲル化温度は強化繊維基材のバインダー融点より高く、吸水率が低いものであったが、硬化剤成分が常温では固形状態であり取り扱いにくいものであった。
 (比較例9)
 表6に示すとおり成分[B]として“EPICLON”HP-4032Dを30部用い、硬化剤成分[C]と成分[D]の配合量を変更した以外は、実施例16と同様にエポキシ樹脂組成物を調製し、評価をした。樹脂のゲル化温度は強化繊維基材のバインダーの融点より高く、110℃30分保持後の粘度についても十分な含浸性を有し、樹脂靭性に優れたが、耐熱性に劣る結果であった。
 (実施例31)
 表6に示すとおり成分[B]をNC-3000を30部とし、硬化剤中の成分[C]と成分[D]の配合量を若干変更した以外は、実施例2と同様にエポキシ樹脂組成物を調製し、評価をした。樹脂のゲル化温度は強化繊維基材のバインダーの融点より高く、110℃30分保持後の粘度についても十分な含浸性を有し、樹脂靭性に優れた。また、耐熱性に劣る結果であった。
 (実施例32)
 表6に示すとおり成分[A2]のかわりに成分[A1]として“jER(登録商標)”630を使用し、成分[B]をNC-3000を30部とし、硬化剤中の成分[C]と成分[D]の配合量を若干変更した以外は、実施例2と同様にエポキシ樹脂組成物を調製し、評価をした。
 本例の硬化剤液は、23℃で液状であった。
 樹脂のゲル化温度は強化繊維基材のバインダーの融点より高く、110℃30分保持後の粘度についても十分な含浸性を有し、非常に高い耐熱性が得られた。弾性率、靭性は実施例31と比較して低くなった。
 (実施例33)
 表6に示すとおり成分[A1]として“jER(登録商標)”630を成分[A1]の15部置き換えて使用し、硬化剤中の成分[C]と成分[D]の配合量を若干変更した以外は、実施例3と同様にエポキシ樹脂組成物を調製し、評価をした。
 本例の硬化剤液は、23℃で液状であった。
 樹脂のゲル化温度は強化繊維基材のバインダーの融点より高く、110℃30分保持後の粘度についても十分な含浸性を有し、高い耐熱性が得られた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
 本発明のエポキシ樹脂組成物は、低粘度で含浸性に優れ、注入温度でも粘度上昇が抑えられ安定であり、短時間で十分な硬化ができ、かつ成形後の脱型工程の際に樹脂が十分硬化し高耐熱性が付与されることで、スムーズに脱型でき、さらには、湿熱時の力学特性、マイクロクラック耐性に優れた繊維強化複合材料を提供することであるが可能になる。そして、少なくともかかるエポキシ樹脂組成物と強化繊維からなる繊維強化複合材料は、湿熱時圧縮強度、耐衝撃性、マイクロクラック耐性に優れるので、航空・宇宙機部材、自動車部材等に好適に用いることができる。

Claims (15)

  1.  エポキシ樹脂として次の成分[A]および成分[B]を含み、硬化剤として次の成分[C]および成分[D]を含むエポキシ樹脂組成物であって、
    成分[B]が全エポキシ樹脂成分100質量部に対して10質量部以上50質量部以下含まれ、硬化剤が23℃で液状であり、かつエポキシ樹脂に含まれるエポキシ基総数(E)と硬化剤中に含まれるアミン化合物の活性水素総数(H)との比であるH/Eが1.0以上1.4以下であるエポキシ樹脂組成物。
     [A]1つ以上のグリシジルアミノ基を有するエポキシ樹脂
     [B]ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂、およびナフタレン型エポキシ樹脂から選ばれる少なくとも1つのエポキシ樹脂
     [C]液状芳香族ジアミン
     [D]結晶性芳香族ジアミン
  2.  前記成分[A]として、次の成分[A1]および/または成分[A2]を含む、請求項1に記載のエポキシ樹脂組成物。
     [A1]3つ以上のエポキシ基を有し、1つ以上のグリシジルアミノ基を有するエポキシ樹脂
     [A2]ジグリシジルアニリンまたはその誘導体
  3.  前記成分[B]の軟化点が50℃以上110℃以下である請求項1または2に記載のエポキシ樹脂組成物。
  4. 前記成分[A2]が全エポキシ樹脂成分100質量部に対して20質量部以上40質量部以下含まれることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
  5. 前記成分[B]が全エポキシ樹脂成分100質量部に対して30質量部以上50質量部以下含まることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
  6. 前記成分[B]の軟化点が70℃以上110℃以下である、請求項1から5のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
  7.  前記成分[C]として、次の成分[C1]および/または成分[C2]を含む、請求項1~3のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
     [C1]ジエチルトルエンジアミン
     [C2]4,4’-ジアミノ-3,3’-ジエチルジフェニルメタン
  8.  前記成分[D]として、次の成分[D1]を含む、請求項1~7のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
     [D1]4,4’-メチレンビス(2-イソプロピル-6-メチルアニリン)
  9.  さらに次の成分[E]を含む、請求項1~8のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
     [E]体積平均粒子径が50nm以上300nm以下の範囲内にある、シェル部分にエポキシ基を含むコアシェルゴム粒子
  10.  110℃一定で30分後の樹脂粘度η(mPa・s)が1≦η≦50を満たす、請求項1~9のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物。
  11.  請求項1~10のいずれかに記載のエポキシ樹脂組成物の硬化物と、強化繊維基材とを含む、繊維強化複合材料。
  12.  前記強化繊維基材を構成する強化繊維が炭素繊維である、請求項11に記載の繊維強化複合材料。
  13.  エポキシ樹脂として次の成分[A]および成分[B]を含む主剤液と、硬化剤として次の成分[C]および成分[D]とを含み、23℃で液状である硬化剤液とを混合した後、90℃以上130℃以下に加熱した成形型内に配置した強化繊維基材に注入し、含浸させ、該成形型内で160℃以上200℃以下で硬化を行う繊維強化複合材料の製造方法であって、成分[B]が全エポキシ樹脂成分100質量部に対して10質量部以上50質量部以下含まれ、かつエポキシ樹脂に含まれるエポキシ基総数(E)と硬化剤中に含まれるアミン化合物の活性水素総数(H)との比であるH/Eが1.0以上1.4以下である繊維強化複合材料の製造方法。
     [A]1つ以上のグリシジルアミノ基を有するエポキシ樹脂
     [B]ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂、およびナフタレン型エポキシ樹脂から選ばれる少なくとも1つのエポキシ樹脂
     [C]液状芳香族ジアミン
     [D]結晶性芳香族ジアミン
  14.  前記成分[B]の軟化点が70℃以上110℃以下である、請求項13に記載の繊維強化複合材料の製造方法。
  15.  前記主剤液および前記硬化剤液の混合液の注入を、前記成形型内を真空吸引することにより行う、請求項13に記載の繊維強化複合材料の製造方法。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003206332A (ja) * 2002-01-11 2003-07-22 Mitsubishi Electric Corp 複合材料用エポキシ樹脂組成物及びこれを用いた複合材料
JP2010126702A (ja) * 2008-12-01 2010-06-10 Toray Ind Inc エポキシ樹脂組成物、繊維強化複合材料およびそれらの製造方法
JP2012041486A (ja) * 2010-08-23 2012-03-01 Toray Ind Inc エポキシ樹脂組成物および繊維強化複合材料の製造方法
WO2021241734A1 (ja) * 2020-05-29 2021-12-02 東レ株式会社 エポキシ樹脂組成物、繊維強化複合材料およびその製造方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003206332A (ja) * 2002-01-11 2003-07-22 Mitsubishi Electric Corp 複合材料用エポキシ樹脂組成物及びこれを用いた複合材料
JP2010126702A (ja) * 2008-12-01 2010-06-10 Toray Ind Inc エポキシ樹脂組成物、繊維強化複合材料およびそれらの製造方法
JP2012041486A (ja) * 2010-08-23 2012-03-01 Toray Ind Inc エポキシ樹脂組成物および繊維強化複合材料の製造方法
WO2021241734A1 (ja) * 2020-05-29 2021-12-02 東レ株式会社 エポキシ樹脂組成物、繊維強化複合材料およびその製造方法

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