【書類名】 明細書
【発明の名称】 エポキシ樹脂組成物及びプリプレグ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記の成分（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）を含有するエポキシ樹脂組成物であって、成分（Ａ）と成分（Ｂ）との配合比が質量比で１００：１５〜１００：７５、６０℃での粘度が１０Ｐａ・ｓｅｃ以上、１０００Ｐａ・ｓｅｃ以下であるエポキシ樹脂組成物。
（Ａ）：構造中にリン原子を含有し、且つ、ハロゲンを含有しないエポキシ樹脂
（Ｂ）：構造中にリン原子もハロゲンも含有していないエポキシ樹脂
（Ｃ）：４０℃以下では反応せず、且つ、反応開始温度が１００℃以下のマイクロカプセル型潜在性硬化剤
【請求項２】
強化繊維に請求項１に記載の難燃性エポキシ樹脂組成物を含浸してなるプリプレグ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非ハロゲン系で優れた機械的物性と難燃性をするエポキシ樹脂組成
及びそれを強化繊維に含浸してなるプリプレグに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
炭素繊維、ガラス繊維等の強化繊維とエポキシ樹脂などからなる繊維強化複合材料は、軽量、耐食性、耐久性、及びその他の機械的特性に優れているため、ゴルフシャフトや釣り竿などのスポーツレジャー用途から一般的な産業用途、更には航空機、車両などの用途等にわたって幅広い分野で用いられている。
【０００３】
この繊維強化複合材料、特に炭素繊維を強化繊維とする繊維強化複合材料の成形方法としては、予め強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させたプリプレグからなる中間材料を硬化成形する方法が最も広く利用されている。
【０００４】
プリプレグに用いられるマトリックス樹脂としては、エポキシ樹脂が種々の優れた特性を有していることにより、スポーツレジャー用途から産業用途に至るまでの広範囲な繊維強化複合材料に使用されている。エポキシ樹脂としては、従来ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂が主として使用されてきたが、火災に対する安全性確保のため航空機や車両等の用途を中心に難燃性エポキシ樹脂への要求が高まってきた。
【０００５】
また、プリプレグの種類としては、硬化温度別にみて、６０℃〜１００℃で硬化する低温硬化タイプ、１２０℃付近で硬化する中温硬化タイプ、１７０℃以上で硬化する高温硬化タイプなどの３種類に分けられる。
【０００６】
次に、これらプリプレグの一般的な繊維強化複合材料の成形方法としては、成形型を使用して成形する方法がある。例えば、中間材料であるプリプレグを成形型に添って積層、加熱硬化した後、型から脱型して成形物を得るプリプレグ積層法等が知られている。成形型にはさまざまな材質のものが使用されている。金属製の成形型は耐熱性には優れるが、作製に手間と労力を要し高価である。一方、樹脂製の成形型は比較的安価であるが耐熱性は劣る。最近は、多品種少量生産が増えてきており、樹脂製の成形型を使用するケースが多いが、樹脂製の成形型には耐熱性がないので、比較的低温（１００℃以下）で硬化するプリプレグが要求されている。また、成形サイクルの短縮化やエネルギーコストの低減などの要求からも、成形温度の低温化が求められている。更に、作業面からは、室温で３０日程度の優れた取扱い性を維持することもプリプレグには要求される。
【０００７】
ところで、エポキシ樹脂の難燃化方法としては、ハロゲン化エポキシ樹脂（例えばブロム変性エポキシ樹脂）と三酸化アンチモンをマトリックス樹脂に配合する方法（例えば、特許文献１参照）などが広く知られているが、このような、ハロゲン化エポキシ樹脂は、良好な難燃性を有するものの燃焼時に発生するガスに毒性があり、自然環境及び人体に対し悪影響及ぼすといった問題がある。
【０００８】
このことから、ハロゲンを含まず優れた難燃性を示す非ハロゲン系のエポキシ樹脂組成物の開発が広く行われてきている。ハロゲンを代替できる難燃化方法して、リン系化合物からなる難燃剤をマトリックス樹脂に添加する方法（例えば、特許文献２参照）や水酸化アルミニウム等の無機系充填剤をマトリックス樹脂に配合する方法（例えば、特許文献３参照）などがあるが、リン系難燃剤や無機系難燃剤の添加量によっては、機械特性、耐熱性が低下するといった問題がある。
【０００９】
さらに、リン含有エポキシ樹脂を脂肪族アミンによる硬化する方法（例えば、特許文献４参照）が知られているが、この技術は、ＲＴＭ成形や射出成形用途に関する技術のため室温下では液状でありプリプレグには適さない。さらにリン含有エポキシ樹脂にフェノール硬化剤を用いる方法が提案されているが、硬化温度が１３０℃〜２５０℃と高い（例えば、特許文献５参照）。
【００１０】
【特許文献１】
特開平９−２７８９１４号公報
【特許文献２】
特公昭５９−４９９４２号公報
【特許文献３】
特開平１−１９７５５４号公報
【特許文献４】
国際公開９８／１３４０７号パンフレット
【特許文献５】
特開２００２−１９４３１３号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、優れた機械特性および難燃性を具備し、尚且つ、１００℃以下の低温での硬化性に優れ、更には、室温付近での貯蔵安定性に優れた繊維強化複合材料になるエポキシ樹脂組成物、それを用いたプリプレグ及び繊維強化複合材料を開発することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意研究を進めた結果、特定の特性を有する２種のエポキシ樹脂の組合せと特定の反応開始温度範囲もつ硬化剤からなるエポキシ組成物が機械特性および難燃性等に優れた繊維強化複合材料向けの中間材料として優れた特性を有することを見出した。
【００１３】
すなわち、本発明は、下記の成分（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）を含有するエポキシ樹脂組成物であって、成分（Ａ）と成分（Ｂ）との配合比が質量比で１００：１５〜１００：７５、６０℃での粘度が１０Ｐａ・ｓｅｃ以上、１０００Ｐａ・ｓｅｃ以下であるエポキシ樹脂組成物である。
（Ａ）：構造中にリン原子を含有し、且つ、ハロゲンを含有しないエポキシ樹脂
（Ｂ）：構造中にリン原子もハロゲンも含有していないエポキシ樹脂
（Ｃ）：４０℃以下では反応せず、且つ、反応開始温度が１００℃以下のマイクロカプセル型潜在性硬化剤
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明のエポキシ樹脂組成物は、成分（Ａ）の構造中にリン原子を含有し、且つ、ハロゲンを含有しないエポキシ樹脂に、成分（Ｂ）の構造中にリン原子もハロゲンも含有していないエポキシ樹脂及び成分（Ｃ）の４０℃以下では反応せず、且つ、反応開始温度が１００℃以下の硬化剤を配合することにより、低温での硬化性と難燃性に加えて室温付近での貯蔵安定性に優れている。
【００１５】
成分（Ａ）：成分（Ａ）は、その構造中にリン原子を含有し、且つ、ハロゲンを含有しないエポキシ樹脂であり、分子内にリン原子とエポキシ基共に有し、且つ、ハロゲンを含んではならない。リン含有量はエポキシ樹脂組成物全量に対し、０．２質量％以上、４．０質量％以下が好ましい。エポキシ樹脂組成物中のリン含有量が０．２質量％未満になると難燃性の確保が難しくなる。また、４．０質量％を超えると耐熱性に悪影響が起こるため、０．２質量％以上から４．０質量％以下に調整するのが好ましい。より好ましくは０．５質量％以上、２．０質量％以下である。成分（Ａ）の代表的なものとして大日本インキ（株）製のＥＸＡ−９７２６を例示することができる。なお、エポキシ樹脂組成物中のリン含有量は、エポキシ樹脂組成物を酸等により溶液化し定量して求める。
【００１６】
成分（Ｂ）：成分（Ｂ）は、構造中にリン原子もハロゲンも含有していないエポキシ樹脂であり、分子中にハロゲン及びリン原子のどちらも含有していなければ、その他に特に制限はなく、ビスフェノールＡ型、ビスフェノールＦ型、ビスフェノールＳ型等の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やクレゾールノボラック型等のノボラック型のエポキシ樹脂、アミノフェノール型やアミノクレゾール型等の３官能エポキシ樹脂、テトラグリシジルジメチルジフェニルメタン等の４官能エポキシ樹脂、その他の多官能樹脂の、一種類或いは二種類以上混合して使用しても何等差し支えない。これらの内、反応性と保存安定性からビスフェノール型のエポキシ樹脂が好ましく、更には、経済性及び難燃性の面から、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂が特に好ましい。
【００１７】
成分（Ａ）と成分（Ｂ）の組成比：エポキシ樹脂組成物中の成分（Ｂ）の添加量としては、成分（Ａ）のエポキシ樹脂１００質量部に対して、成分（Ｂ）としてのハロゲン及びリンを含有していないエポキシ樹脂が１５質量部以上とすると、プリプレグの取扱い性がさらに向上し、また７５質量部以下とすると難燃性が向上する。このため、成分（Ａ）と成分（Ｂ）との配合比は質量比で１００：１５〜１００：７５とする。
【００１８】
成分（Ｃ）：成分（Ｃ）は、４０℃以下では反応せず、１００℃以下で反応を開始する硬化剤である。このような硬化剤としては、例えば、アミキュアＰＮ２３（味の素（株）製）、ノバキュアＨＸ３７２１及びＨＸ３７２２（旭化成（株）製）、フジキュアーＦＥＸ−１０００（富士化成工業（株）製）、サンエイドＳＩ−６０Ｌ（三新化学工業（株）製）、ハードナーＸ−４００３Ｓ、Ｈ−３２９３Ｓ、Ｈ−３６１５Ｓ及びＨ−４０７０Ｓ（エーシーアール（株）製）等の潜在性硬化剤が例示できる。中でも、硬化物の難燃性が優れているのでマイクロカプセル型潜在性硬化剤を用いる。その例として、ノバキュアＨＸ３７２１、ＨＸ３７２２（旭化成（株）製）が挙げられる。
【００１９】
硬化剤が４０℃以下で反応しないとは、具体的には、エポキシ樹脂組成物調製直後の４０℃での樹脂粘度と２５℃で３週間保持した後の４０℃における粘度が２倍以下となることであり、粘度が１．５倍以下の場合はエポキシ樹脂組成物が室温付近でさらに安定であるので更に好ましい。
【００２０】
また、硬化剤の反応開始温度が１００℃以下とは、次の方法により決定する。液状のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（例えばジャパンエポキシレジン（株）エピコート８２８等）１００質量部に対して硬化剤２０質量部を均一に混合したエポキシ樹脂組成物を、ＤＳＣで１０℃／分の昇温速度条件にて硬化発熱量を測定する。このときに、ベースラインから離れ、硬化発熱を始める温度が１００℃以下であれば反応開始温度が１００℃以下の硬化剤とする。
【００２１】
次に、成分（Ｃ）の硬化剤の添加量としては、成分（Ａ）と成分（Ｂ）の合計１００質量部に対して８質量部以上、３０質量部以下とすると、硬化性や保存安定性がさらに向上するので好ましい。さらに好ましくは、１０質量部以上、２０質量部以下である。
また、硬化促進剤としてウレア系化合物を併用することで、室温での安定性を損なうことなく、低温での硬化性が更に良くなり好ましい。その例として、ＤＣＭＵ（ジクロロフェニルジメチルウレア）、ＰＤＭＵ（フェニルジメチルウレア）等が例示できる。
【００２２】
本発明のエポキシ樹脂組成物の６０℃での粘度は１０Ｐａ・ｓｅｃ以上、１０００Ｐａ・ｓｅｃ以下でなければならない。１０Ｐａ・ｓｅｃ未満であると、プリプレグのタックが強すぎたり、成形時の樹脂フローが多くなったりする。また、１０００Ｐａ・ｓｅｃを超えるとプリプレグへの含浸が不十分であったり、タックがなくなりすぎたり、プリプレグが硬くなるなどの不具合となる。
【００２３】
本発明のエポキシ樹脂組成物には、さらに難燃剤を配合する事ができる。この難燃剤としては特に制限はなく、シリカ、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、アルミナ、タルク、酸化マグネシウム等の無機充填材の１種類或いは２種類以上を適宜混合して使用する。無機充填材の配合割合は、成分（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）の１００質量部に対して２０質量部以下が好ましい。２０質量部を超えるとプリプレグにした時に、含浸性に悪影響が起こったり機械的特性が低下する。
本発明のエポキシ樹脂組成物の硬化物は、３ｍｍ厚みの樹脂板とした時の難燃レベルがＵＬ−９４規格でＶ−０であることが好ましい。
【００２４】
本発明のエポキシ樹脂組成物を補強材に含浸させたプリプレグもまた、本発明により提供されるものである。プリプレグを得るときに使用する補強材の形態や配列は特に制限されるものではなく、数千本〜数万本フィラメントの単位であるトウ１本またはさらにそのトウを数本まとめた形状のいわゆるトウプリプレグのような形態、トウを一方向に並べて引き揃えた一方向テーププリプレグのような形態、クロス（織物）のような形態、マット、ニット、スリーブ等の形態を使用することができる。
【００２５】
上記補強材としては、その材質等も特に制限はなく、例えば素材として、カーボン繊維、有機繊維（ポリアラミド繊維、ポリエチレン繊維等）、ボロン繊維、スチール繊維などが使用される。特に成形後の機械的特性が良好なことから炭素繊維からなる補強材が好ましく、炭素繊維としては、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系の炭素繊維或いはピッチ系の炭素繊維のいずれであってもよい。
【００２６】
本発明のプリプレグは、これを硬化成形することにより、種々の繊維強化複合材料に成形される。プリプレグの硬化成形は、例えば金型等を用いたコンプレッション成形、オートクレーブ成形、真空バッグ成形、テープラッピング成形等によって行うことができる。
また、本発明のエポキシ樹脂組成物は、プリプレグ用のエポキシ樹脂組成物として特に好適であるが、その他にも、マトリックス樹脂として例えばコンパウンド用途等にも好適に用いられる。
【００２７】
【実施例】
次に、実施例および比較例により、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
なお、実施例中の化合物の略号、及び試験法は以下の通りである。
【００２８】
１．成分（Ａ）：
ＥＸＡ−９７２６：構造中にリン原子を含有し、ハロゲンを含まないエポキシ樹脂（エポキシ当量：４６８、常温で固体：大日本インキ（株）製）
【００２９】
２．成分（Ｂ）：
ＥＰ１００１：ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂 エピコート１００１（エポキシ当量：４５０〜５００、常温で固体）
Ｅｐ８２８：ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂 エピコート８２８（エポキシ当量：１８４〜１９４、常温で液体）
Ｅｐ８０７：ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂 エピコート８０７（エポキシ当量：１６０〜１７５、常温で液体）
（以上、ジャパンエポキシレジン（株）製）
【００３０】
３．無機系充填剤：
Ｃ−３０１：微粒水酸化アルミニウム（平均粒径：１．０μｍ：住友化学工業（株）製）
【００３１】
４．リン含有の有機系難燃剤：
ＣＤＰ：クレジルジフェニルホスフェート（大八化学工業（株）製）
【００３２】
５．硬化促進剤：
ＤＣＭＵ：ジクロロジメチルウレア「ＤＣＭＵ−９９」（分子量：２３３）（保土谷化学工業（株）製）
ＰＤＭＵ：フェニルジメチルウレア「オミキュア９４」（ＢＴＲジャパン製）
２Ｅ４ＭＺ：２−エチル４−メチルイミダゾール（四国化成工業（株）製）
【００３３】
６．成分（Ｃ）：
ＨＸ３７２２：エポキシ樹脂用のマイクロカプセル型潜在性硬化剤（旭化成（株）製）
「ノバキュアＨＸ３７２２」：有効成分３３質量％のペースト状の硬化剤
ＰＮ２３：アミンアダクト型潜在性硬化剤「アミキュアＰＮ２３」（味の素（株）製）
ＤＩＣＹ：ジシアンジアミド「エピキュアＤＩＣＹ７」（分子量：８４）（油化シェルエポキシ（株）製）
【００３４】
７．リン原子含有量の測定：
エポキシ樹脂組成物を、３０〜５０ｍｇ(精秤)を石英フラスコに採り、硫酸、硝酸によりマイクロ波湿式分解を行い、５０ｍｌにメスアップした後、１０倍希釈し標準添加法にて日本ジャーレルアユシュ社製（本体）ＩＣＡＰ−５７５ ＭＫ−II、超音波ネブライザー Ｕ−５０００のＩＣＰ発光分析装置を用いてＩＣＰ発光分光分析法によりリンの定量分析を実施した。
【００３５】
８．粘度の測定：
調製したエポキシ樹脂組成物を、動的粘弾性測定装置ＤＳＲ−２００（レオメトリック社製）あるいは同装置と同等の性能を有する動的粘弾測定装置により、直径２５ｍｍの２枚のディスクプレート（ディスクプレート間隔０．５ｍｍ）間に充填し、雰囲気温度を所定の温度に設定して、シェア速度１０ラジアン／秒の条件下で測定した。
【００３６】
９．ガラス転移温度（Ｔｇ）：
硬化剤を含有するエポキシ樹脂組成物を９０℃、５時間の硬化条件にて成形することによって厚さ２ｍｍの硬化樹脂板を得た後、更にこれを６０ｍｍ長×１２ｍｍ幅にカットして試験片を準備し、動的粘弾性測定装置ＲＤＡ−７００（レオメトリック・ファー・イースト（株）製）を使用して、この試験片を５℃／ＳＴＥＰで昇温しながら、該試験片に１０ラジアン／秒の速度で剪断力を加えて前記試験片の貯蔵剛性率の温度依存性を測定し、この貯蔵剛性率の温度依存性の曲線のガラス状態領域での接線と転移領域での接線との交点によって求めた。
【００３７】
１０．プリプレグの取扱い性：
各プリプレグを指先による触感で試験し、以下の判断基準で評価した。
○：タック性、柔軟性ともに適度である為扱いやすいことを示す。
△：柔軟性に欠ける、もしくはタックが弱い為に扱いにくいことを示す。
×：タック性、柔軟性が非常に悪い為に扱いにくいことを示す。
【００３８】
１１．プリプレグのライフ：
各プリプレグのライフを２５℃×３０日放置後の指先による触感で試験し、上記〔プリプレグの取扱い性〕により評価した。
○：タック性、柔軟性ともに適度である為扱いやすいことを示す。
×：タック性、柔軟性が非常に悪い為に扱いにくいことを示す。
【００３９】
１２．燃焼試験：
ＵＬ−９４の垂直燃焼試験に基づいて、寸法１２７ｍｍ長×１２．７ｍｍ幅×３ｍｍ厚に切り出した試験片を用いて実施する。硬化させた樹脂板の燃焼性の判定は下記の［表１］に従って行なった。
【００４０】
【表１】
【００４１】
１３．繊維強化複合材料の３点曲げ試験：
万能力学試験機テンシロン（オリエンテック（株）製）により、下記の［表２］に示す試験条件で行なった。
【表２】
【００４２】
実施例１：
表３に示す組成でエポキシ樹脂組成物を次の方法で調製した。
ＥＸＡ−９７２６を７０質量部とＥＰ８０７を３０質量部とを１３０℃に調温したニーダーで均一になるまで混錬した後、５０℃〜６０℃に冷却し、これに予めアジホモジナイザーで混合しておいたＥＰ８２８を５質量部、ＰＤＭＵを５質量部の硬化触媒を計１０質量部添加し、さらにＨＸ３７２２を１０質量部添加し、均一になるまでニーダーで混錬してエポキシ樹脂組成物を得た。このエポキシ樹脂組成物中のリン含有量を上述したＩＣＰ発光分光分析法により調べたところリン含有量は１．８％であった。また、成分（Ｃ）をなすＨＸ３７２２の硬化性を上述したＤＳＣを用いた方法により調べたところ、硬化開始温度が８０℃であった。
【００４３】
前記エポキシ樹脂組成物を６０℃で離型紙上に塗工し、樹脂フィルム化した後、該樹脂フィルムを炭素繊維クロス、パイロフィルＴＲ３１１０（三菱レイヨン社製）に６０℃で加熱加圧することによって、炭素繊維からなる強化繊維にエポキシ樹脂組成物を含浸させ、炭素繊維目付２００ｇ／ｍ2 、樹脂含有率４０質量％のプリプレグを得た。得られたプリプレグのタックを触感により評価したところ、適度なタックで良好であった。また、２５℃にて３０日間放置した後にも、適度なタックを有しており、３０日以上のライフを有することが確認された。
続いて、前記プリプレグを、該プリプレグの強化繊維の繊維方向を揃えて積層し、硬化条件９０℃×５時間でオートクレーブ成形を行ない、炭素繊維を強化繊維とする繊維強化複合材料（ＦＲＰ）を成形した。
【００４４】
実施例２〜実施例７、比較例１〜比較例９：
実施例１と同様に下記の［表３］の所定欄に示す配合成分を、同じく［表３］の所定欄に示す配合割合で配合することにより、エポキシ樹脂組成物を調製し、プリプレグを作製し、繊維強化複合材料を成形した。又下記の［表４］の所定欄に示す配合成分を、同じく［表４］の所定欄に示す配合割合で配合することにより、比較のためのエポキシ樹脂組成物及びそれを使用したプリプレグ、繊維強化複合材料を作製した。なお、比較例２の成分ＣをなすＰＮ２３は硬化開始温度が６７℃であった。
【００４５】
各エポキシ樹脂組成物の配合成分及び配合割合と共に、エポキシ樹脂組成物のレオメータ粘度、硬化物のガラス転移温度（Ｔｇ）、樹脂板（３ｍｍ）のＵＬ９４の燃焼試験結果、プリプレグの取り扱い性、プリプレグのライフ、ＦＲＰ成形体の３点曲げ強度、層間剪断強度（ＩＬＳＳ）を、［表３］〜［表４］に併記する。なお、［表３］〜［表４］において、配合成分の配合割合は質量部であり、又各配合成分は略字によって表記してある。
【００４６】
【表３】
【００４７】
【表４】
【００４８】
比較例３のエポキシ樹脂組成物は、硬化剤にジシアンジアミドを配合してなるものであるために９０℃での硬化は硬化不良となった。なお、ジシアンジアミドの硬化性を上述したＤＳＣを用いた方法により調べたところ、硬化開始温度が１２２℃であった。
比較例４でジシアンジアミドに加えて２−エチル４−メチルイミダゾールを配合してなるものであるために、２５℃で３週間保持した後の樹脂粘度の測定は不可であり、プリプレグの保存安定性に欠けるものとなることが分かる。本実施例で成分Ｃをなす２−エチル４−メチルイミダゾールの硬化性を上述したＤＳＣを用いた方法により調べたところ、硬化開始温度が３６℃であった。
【００４９】
比較例５では、構造中にリン原子を含有し、且つ、ハロゲンを含有しないエポキシ樹脂が配合されていないために、樹脂板での燃焼試験では燃焼してしまった。
比較例６では、エポキシ樹脂ではない有機リン系化合物を配合させたものであるが、耐熱性は低下し、燃焼試験では燃焼してしまった。このエポキシ樹脂組成物によるプリプレグの取扱い性は添加したリン含有の有機難燃剤が室温で液体であるためプリプレグにした時の樹脂の沈み込みが速くタックが無くなり取扱い性も良くなかった。
【００５０】
比較例７では、無機充填剤として水酸化アルミニウムを配合させたものであるが、プリプレグにしたときに無機充填剤が選択的に濾過されてしまい、プリプレグの表面側と内側とで無機充填剤の含有量のばらつきが発生した。このためにプリプレグの表面層に残った無機充填剤の存在によって、プリプレグにべたつき感がなくなる。また、燃焼試験では燃焼してしまい、繊維強化複合材料の機械特性も良くなかった。
比較例８のエポキシ樹脂組成物は粘度レベルが高すぎるため、プリプレグにした時の含浸が悪く、更にはタックが少なく取扱い性が悪かった。
比較例９のエポキシ樹脂組成物の粘度では粘度が低すぎ、プリプレグのタックの強いものとなり、一度貼り付けたら剥がせなくなってしまった。
【００５１】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明のエポキシ樹脂組成物は、（Ａ）、（Ｂ）の２種のエポキシ樹脂及び（Ｃ）の硬化剤を含有することにより、優れた機械特性および難燃性を具備し、尚且つ、１００℃以下の低温での硬化性に優れ、更には、室温付近での貯蔵安定性に優れた繊維強化複合材料を提供できる。
さらに、本発明のエポキシ樹脂組成物は、これを強化繊維に含浸させてプリプレグにするときの含浸性がよく、しかも室温付近での貯蔵安定性に優れ十分なワーキングライフを持ったこのプリプレグを低温で硬化成形して得られる繊維強化複合材料は、機械的特性と優れた難燃性を備えたものとなる。
[Document name] Description [Title of the invention] Epoxy resin composition and prepreg [Claims]
(1)
An epoxy resin composition containing the following components (A), (B), and (C), wherein the compounding ratio of the component (A) and the component (B) is 100: 15 to 100: 75 by mass ratio, An epoxy resin composition having a viscosity at 60 ° C. of 10 Pa · sec or more and 1000 Pa · sec or less.
(A): an epoxy resin containing a phosphorus atom in the structure and not containing a halogen (B): an epoxy resin containing neither a phosphorus atom nor a halogen in the structure (C): no reaction at 40 ° C. or lower And a microcapsule-type latent curing agent having a reaction initiation temperature of 100 ° C. or less.
A prepreg obtained by impregnating a reinforcing fiber with the flame-retardant epoxy resin composition according to claim 1.
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a non-halogen epoxy resin composition having excellent mechanical properties and flame retardancy, and a prepreg obtained by impregnating the epoxy resin composition with a reinforcing fiber.
[0002]
[Prior art]
Fiber reinforced composite materials composed of carbon fiber, glass fiber, and other reinforced fibers and epoxy resin are lightweight, have excellent corrosion resistance, durability, and other mechanical properties, making them ideal for sports and leisure applications such as golf shafts and fishing rods. It is used in a wide range of fields, such as general industrial applications, and even applications such as aircraft and vehicles.
[0003]
As a method for molding this fiber-reinforced composite material, particularly a fiber-reinforced composite material using carbon fiber as a reinforcing fiber, a method of curing and molding an intermediate material composed of a prepreg in which a matrix resin is previously impregnated into a reinforcing fiber is most widely used. I have.
[0004]
As a matrix resin used for a prepreg, an epoxy resin has various excellent properties and is used for a wide range of fiber-reinforced composite materials ranging from sports and leisure applications to industrial applications. Conventionally, bisphenol A type epoxy resins have been mainly used as epoxy resins, but demands for flame-retardant epoxy resins have been increasing mainly for applications such as aircraft and vehicles in order to ensure safety against fire.
[0005]
In addition, the types of prepregs are classified into three types, depending on the curing temperature, such as a low-temperature curing type that cures at 60 to 100 ° C, a medium-temperature curing type that cures around 120 ° C, and a high-temperature curing type that cures at 170 ° C or higher. Can be
[0006]
Next, as a method for molding a general fiber-reinforced composite material of these prepregs, there is a method of molding using a molding die. For example, a prepreg laminating method is known in which a prepreg, which is an intermediate material, is laminated along a molding die, cured by heating, and then released from the die to obtain a molded product. Molds of various materials are used. A metal mold is excellent in heat resistance, but requires much labor and labor for fabrication and is expensive. On the other hand, resin molds are relatively inexpensive but have poor heat resistance. Recently, the production of many kinds and small quantities is increasing, and in many cases, a resin mold is used. However, since the resin mold does not have heat resistance, it is cured at a relatively low temperature (100 ° C. or lower). Prepreg is required. Further, lowering the molding temperature is also demanded from demands such as a shorter molding cycle and a lower energy cost. Further, from the viewpoint of work, the prepreg is also required to maintain excellent handleability at room temperature for about 30 days.
[0007]
By the way, as a method of making an epoxy resin flame-retardant, a method of blending a halogenated epoxy resin (for example, bromo-modified epoxy resin) and antimony trioxide in a matrix resin (for example, see Patent Document 1) is widely known. Although such a halogenated epoxy resin has good flame retardancy, it has a problem that the gas generated during combustion is toxic and adversely affects the natural environment and the human body.
[0008]
For this reason, development of non-halogen epoxy resin compositions which do not contain halogen and exhibit excellent flame retardancy have been widely performed. As a flame retarding method capable of replacing halogen, a method of adding a flame retardant composed of a phosphorus compound to a matrix resin (for example, see Patent Document 2) or a method of blending an inorganic filler such as aluminum hydroxide with the matrix resin (See, for example, Patent Document 3), but there is a problem that the mechanical properties and heat resistance are reduced depending on the amount of the phosphorus-based flame retardant or the inorganic flame retardant added.
[0009]
Further, a method of curing a phosphorus-containing epoxy resin with an aliphatic amine (for example, see Patent Document 4) is known. However, this technique is liquid at room temperature because it is a technique relating to RTM molding and injection molding, and is prepreg. Not suitable for Further, a method using a phenol curing agent for the phosphorus-containing epoxy resin has been proposed, but the curing temperature is as high as 130 ° C. to 250 ° C. (for example, see Patent Document 5).
[0010]
[Patent Document 1]
JP 9-278914 A [Patent Document 2]
Japanese Patent Publication No. 59-49942 [Patent Document 3]
JP-A-1-197554 [Patent Document 4]
WO 98/13407 pamphlet [Patent Document 5]
JP 2002-194313 A
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a fiber-reinforced composite material having excellent mechanical properties and flame retardancy, excellent curability at a low temperature of 100 ° C. or less, and further excellent storage stability at around room temperature. To develop an epoxy resin composition, a prepreg and a fiber-reinforced composite material using the same.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have conducted intensive studies to solve the above-mentioned problems, and as a result, an epoxy composition comprising a combination of two types of epoxy resins having specific characteristics and a curing agent having a specific reaction initiation temperature range has a mechanical property and It has been found that it has excellent properties as an intermediate material for a fiber-reinforced composite material having excellent flame retardancy and the like.
[0013]
That is, the present invention is an epoxy resin composition containing the following components (A), (B), and (C), wherein the compounding ratio of the component (A) and the component (B) is 100: An epoxy resin composition having a viscosity at 15 to 100: 75 and 60 ° C. of 10 Pa · sec or more and 1000 Pa · sec or less.
(A): an epoxy resin containing a phosphorus atom in the structure and not containing a halogen (B): an epoxy resin containing neither a phosphorus atom nor a halogen in the structure (C): no reaction at 40 ° C. or lower And a microcapsule-type latent curing agent having a reaction initiation temperature of 100 ° C. or less.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The epoxy resin composition of the present invention contains a phosphorus atom in the structure of the component (A) and contains neither a phosphorus atom nor a halogen in the structure of the component (B). The epoxy resin and component (C) do not react at a temperature of 40 ° C. or less and have a reaction initiation temperature of 100 ° C. or less. Excellent storage stability.
[0015]
Component (A): Component (A) is an epoxy resin containing a phosphorus atom in its structure and not containing a halogen, having both a phosphorus atom and an epoxy group in a molecule, and containing a halogen. No. The phosphorus content is preferably 0.2% by mass or more and 4.0% by mass or less based on the total amount of the epoxy resin composition. If the phosphorus content in the epoxy resin composition is less than 0.2% by mass, it is difficult to ensure flame retardancy. If the content exceeds 4.0% by mass, heat resistance is adversely affected. Therefore, the content is preferably adjusted from 0.2% by mass to 4.0% by mass. More preferably, it is 0.5% by mass or more and 2.0% by mass or less. A typical example of the component (A) is EXA-9726 manufactured by Dainippon Ink and Chemicals, Inc. In addition, the phosphorus content in an epoxy resin composition is determined by making the epoxy resin composition into a solution with an acid or the like and quantifying it.
[0016]
Component (B): Component (B) is an epoxy resin containing neither a phosphorus atom nor a halogen in its structure, and is not particularly limited as long as it contains neither a halogen atom nor a phosphorus atom in a molecule. Bisphenol type epoxy resin such as bisphenol A type, bisphenol F type and bisphenol S type; novolak type epoxy resin such as phenol novolak type and cresol novolak type; trifunctional epoxy resin such as aminophenol type and aminocresol type; tetraglycidyl One kind or a mixture of two or more kinds of tetrafunctional epoxy resins such as dimethyldiphenylmethane and other polyfunctional resins may be used. Of these, bisphenol-type epoxy resins are preferred in terms of reactivity and storage stability, and bisphenol F-type epoxy resins are particularly preferred in terms of economy and flame retardancy.
[0017]
Composition ratio of component (A) to component (B): The amount of component (B) in the epoxy resin composition is determined based on 100 parts by mass of epoxy resin of component (A) and halogen as component (B). When the amount of the epoxy resin not containing phosphorus and phosphorus is 15 parts by mass or more, the handleability of the prepreg is further improved, and when it is 75 parts by mass or less, the flame retardancy is improved. For this reason, the compounding ratio of the component (A) and the component (B) is set to 100: 15 to 100: 75 by mass ratio.
[0018]
Component (C): Component (C) is a curing agent that does not react at 40 ° C. or less and starts to react at 100 ° C. or less. Examples of such a curing agent include Amicure PN23 (manufactured by Ajinomoto Co., Ltd.), NOVACURE HX3721 and HX3722 (manufactured by Asahi Kasei Corporation), Fuji Cure FEX-1000 (manufactured by Fuji Chemical Industry Co., Ltd.), and Sun Aid SI-60L. And latent hardeners such as Hardner X-4003S, H-3293S, H-3615S, and H-4070S (manufactured by AC R Co., Ltd.). Among them, a microcapsule-type latent curing agent is used because the cured product has excellent flame retardancy. Examples thereof include Novacure HX3721 and HX3722 (manufactured by Asahi Kasei Corporation).
[0019]
When the curing agent does not react at 40 ° C. or lower, specifically, the resin viscosity at 40 ° C. immediately after preparing the epoxy resin composition and the viscosity at 40 ° C. after holding at 25 ° C. for 3 weeks become twice or less. That is, when the viscosity is 1.5 times or less, the epoxy resin composition is more stable at around room temperature, which is more preferable.
[0020]
Further, the fact that the reaction start temperature of the curing agent is 100 ° C. or lower is determined by the following method. An epoxy resin composition in which 20 parts by mass of a curing agent is uniformly mixed with 100 parts by mass of a liquid bisphenol A type epoxy resin (for example, Epikote 828, Japan Epoxy Resin Co., Ltd.) is heated at a rate of 10 ° C./min by DSC. The curing heat value is measured under the speed condition. At this time, if the temperature apart from the base line and the temperature at which curing heat is started is 100 ° C. or less, a curing agent having a reaction start temperature of 100 ° C. or less is used.
[0021]
Next, when the amount of the curing agent of the component (C) is 8 parts by mass or more and 30 parts by mass or less based on 100 parts by mass of the total of the components (A) and (B), the curability and storage stability can be improved. It is preferable because the property is further improved. More preferably, it is 10 parts by mass or more and 20 parts by mass or less.
The use of a urea-based compound as a curing accelerator is preferable because the curability at low temperatures is further improved without impairing the stability at room temperature. Examples thereof include DCMU (dichlorophenyldimethylurea) and PDMU (phenyldimethylurea).
[0022]
The viscosity at 60 ° C. of the epoxy resin composition of the present invention must be 10 Pa · sec or more and 1000 Pa · sec or less. If it is less than 10 Pa · sec, the tack of the prepreg is too strong or the resin flow during molding increases. On the other hand, if it exceeds 1000 Pa · sec, problems such as insufficient impregnation into the prepreg, too little tackiness, and the prepreg becoming hard are caused.
[0023]
The epoxy resin composition of the present invention may further contain a flame retardant. The flame retardant is not particularly limited, and one or two or more inorganic fillers such as silica, aluminum hydroxide, magnesium hydroxide, alumina, talc, and magnesium oxide are used as appropriate. The mixing ratio of the inorganic filler is preferably 20 parts by mass or less based on 100 parts by mass of the components (A), (B) and (C). If the amount is more than 20 parts by mass, the impregnating property is adversely affected when prepreg is formed, and the mechanical properties deteriorate.
The cured product of the epoxy resin composition of the present invention preferably has a flame retardance level of V-0 according to UL-94 standard when a resin plate having a thickness of 3 mm is formed.
[0024]
A prepreg obtained by impregnating a reinforcing material with the epoxy resin composition of the present invention is also provided by the present invention. The form and arrangement of the reinforcing material used when obtaining the prepreg are not particularly limited, and a so-called tow having a shape of a single tow which is a unit of thousands to tens of thousands of filaments or a plurality of the tows is collected. A prepreg-like form, a one-way tape prepreg in which tows are arranged in one direction and aligned, a cloth (woven fabric) -like form, a mat, a knit, a sleeve and the like can be used.
[0025]
The material and the like of the reinforcing material are not particularly limited. For example, carbon fibers, organic fibers (such as polyaramid fibers and polyethylene fibers), boron fibers, and steel fibers are used as the materials. In particular, a reinforcing material made of carbon fiber is preferable because of good mechanical properties after molding, and the carbon fiber may be either polyacrylonitrile (PAN) -based carbon fiber or pitch-based carbon fiber.
[0026]
The prepreg of the present invention is molded into various fiber-reinforced composite materials by curing and molding. Curing molding of the prepreg can be performed by, for example, compression molding using a mold or the like, autoclave molding, vacuum bag molding, tape wrapping molding, or the like.
Further, the epoxy resin composition of the present invention is particularly suitable as an epoxy resin composition for prepregs, but is also suitably used as a matrix resin, for example, for compound applications.
[0027]
【Example】
Next, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to these Examples.
In addition, the abbreviation of the compound in an Example and a test method are as follows.
[0028]
1. Component (A):
EXA-9726: an epoxy resin containing a phosphorus atom in the structure and containing no halogen (epoxy equivalent: 468, solid at room temperature: manufactured by Dainippon Ink Co., Ltd.)
[0029]
2. Component (B):
EP1001: bisphenol A type epoxy resin Epicoat 1001 (epoxy equivalent: 450-500, solid at room temperature)
Ep828: bisphenol A type epoxy resin Epicoat 828 (epoxy equivalent: 184-194, liquid at room temperature)
Ep807: Bisphenol F type epoxy resin Epicoat 807 (epoxy equivalent: 160-175, liquid at room temperature)
(The above is manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.)
[0030]
3. Inorganic filler:
C-301: Fine aluminum hydroxide (average particle size: 1.0 μm: manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.)
[0031]
4. Organic flame retardants containing phosphorus:
CDP: Cresyl diphenyl phosphate (manufactured by Daihachi Chemical Industry Co., Ltd.)
[0032]
5. Curing accelerator:
DCMU: Dichlorodimethylurea "DCMU-99" (molecular weight: 233) (manufactured by Hodogaya Chemical Industry Co., Ltd.)
PDMU: phenyldimethylurea "Omicure 94" (manufactured by BTR Japan)
2E4MZ: 2-ethyl 4-methylimidazole (manufactured by Shikoku Chemicals Co., Ltd.)
[0033]
6. Component (C):
HX3722: microcapsule-type latent curing agent for epoxy resin (manufactured by Asahi Kasei Corporation)
"Novacure HX3722": Paste-type curing agent of 33% by mass of active ingredient PN23: Amine-cure latent curing agent "Amicure PN23" (manufactured by Ajinomoto Co.)
DICY: Dicyandiamide “Epicure DICY7” (molecular weight: 84) (manufactured by Yuka Shell Epoxy Co., Ltd.)
[0034]
7. Measurement of phosphorus atom content:
30 to 50 mg (accurately weighed) of the epoxy resin composition was placed in a quartz flask, subjected to microwave wet decomposition with sulfuric acid and nitric acid, diluted to 50 ml, diluted 10-fold, and then standardized with Nippon Jarrell Ayu. Phosphorus was quantitatively analyzed by ICP emission spectrometry using an ICP emission analyzer of ICAP-575 MK-II manufactured by Shu Co. (main unit) and an ultrasonic nebulizer U-5000.
[0035]
8. Measurement of viscosity:
Using a dynamic viscoelasticity measuring device DSR-200 (manufactured by Rheometrics) or a dynamic viscoelasticity measuring device having the same performance as the above epoxy resin composition, two disk plates (disks having a diameter of 25 mm) were prepared. The sample was filled in a space between plates (0.5 mm apart), the atmosphere temperature was set to a predetermined temperature, and the measurement was performed under the conditions of a shear rate of 10 radians / second.
[0036]
9. Glass transition temperature (Tg):
A cured resin plate having a thickness of 2 mm was obtained by molding an epoxy resin composition containing a curing agent under curing conditions of 90 ° C. for 5 hours, and this was further cut into a 60 mm long × 12 mm wide test piece. Was prepared and the test piece was heated at 5 ° C./STEP using a dynamic viscoelasticity measuring device RDA-700 (manufactured by Rheometric Far East Co., Ltd.), and the test piece was added with 10 radians. The temperature dependence of the storage stiffness of the test piece was measured by applying a shearing force at a rate of / sec, and the tangent of the curve of the temperature dependence of the storage stiffness between the tangent in the glass state region and the tangent in the transition region was measured. Determined by the intersection.
[0037]
10. Prepreg handleability:
Each prepreg was tested by a tactile sensation with a fingertip and evaluated according to the following criteria.
：: Tackability and flexibility are both moderate and easy to handle.
Δ: Lack of flexibility or low tackiness makes it difficult to handle.
X: It is difficult to handle because the tackiness and flexibility are very poor.
[0038]
11. Prepreg life:
The life of each prepreg was tested by a tactile sensation with a fingertip left at 25 ° C. for 30 days, and evaluated by the above [handling of prepreg].
：: Tackability and flexibility are both moderate and easy to handle.
X: It is difficult to handle because the tackiness and flexibility are very poor.
[0039]
12. Flame test:
Based on the UL-94 vertical combustion test, the test is performed using a test piece cut into a size of 127 mm long × 12.7 mm wide × 3 mm thick. The flammability of the cured resin plate was determined according to the following [Table 1].
[0040]
[Table 1]
13. Three-point bending test of fiber reinforced composite material:
The test was performed using a universal ability tester Tensilon (manufactured by Orientec Co., Ltd.) under the test conditions shown in Table 2 below.
[Table 2]
Example 1
An epoxy resin composition having the composition shown in Table 3 was prepared by the following method.
After kneading 70 parts by mass of EXA-9726 and 30 parts by mass of EP807 with a kneader adjusted to 130 ° C. until uniform, the mixture is cooled to 50 ° C. to 60 ° C., and mixed with an azifomogenizer in advance. A total of 10 parts by mass of a curing catalyst containing 5 parts by mass of EP828 and 5 parts by mass of PDMU was added, and 10 parts by mass of HX3722 was further added, followed by kneading with a kneader until the mixture became uniform to obtain an epoxy resin composition. . When the phosphorus content in this epoxy resin composition was examined by the above-mentioned ICP emission spectroscopy, the phosphorus content was 1.8%. Further, when the curability of HX3722 constituting the component (C) was examined by the above-mentioned method using DSC, the curing start temperature was 80 ° C.
[0043]
The epoxy resin composition is coated on release paper at 60 ° C. to form a resin film, and then the resin film is heated and pressurized at 60 ° C. on a carbon fiber cloth, Pyrofil TR3110 (manufactured by Mitsubishi Rayon Co., Ltd.) to obtain a carbon fiber. The reinforcing fiber made of fiber was impregnated with the epoxy resin composition to obtain a prepreg having a carbon fiber weight of 200 g / m 2 and a resin content of 40% by mass. When the tack of the obtained prepreg was evaluated by tactile sensation, it was favorable with a moderate tack. In addition, even after being left at 25 ° C. for 30 days, it had an appropriate tack and was confirmed to have a life of 30 days or more.
Subsequently, the prepreg is laminated with the reinforcing fibers of the prepreg aligned in the fiber direction, and autoclaved under curing conditions of 90 ° C. × 5 hours to form a fiber reinforced composite material (FRP) using carbon fibers as the reinforcing fibers. did.
[0044]
Examples 2 to 7, Comparative Examples 1 to 9:
An epoxy resin composition was prepared by blending the components shown in the predetermined columns of [Table 3] below in the same manner as in Example 1 in the same manner as in Example 1 to prepare a prepreg. Then, a fiber-reinforced composite material was formed. An epoxy resin composition for comparison and a prepreg and a fiber using the same by blending the components shown in the prescribed columns of [Table 4] below in the proportions shown in the prescribed columns of [Table 4]. A reinforced composite material was made. The curing start temperature of PN23 which is the component C of Comparative Example 2 was 67 ° C.
[0045]
The rheometer viscosity of the epoxy resin composition, the glass transition temperature (Tg) of the cured product, the UL94 combustion test result of the resin plate (3 mm), the prepreg handleability, the prepreg The life, the three-point bending strength of the FRP molded body, and the interlaminar shear strength (ILSS) are also shown in Tables 3 and 4. In Tables 3 and 4, the proportions of the components are parts by mass, and each component is indicated by an abbreviation.
[0046]
[Table 3]
[Table 4]
Since the epoxy resin composition of Comparative Example 3 was prepared by mixing dicyandiamide with a curing agent, curing at 90 ° C. resulted in poor curing. When the curability of dicyandiamide was examined by the above-mentioned method using DSC, the curing start temperature was 122 ° C.
In Comparative Example 4, since 2-ethyl-4-methylimidazole was added in addition to dicyandiamide, measurement of the resin viscosity after holding at 25 ° C. for 3 weeks was impossible, and the storage stability of the prepreg was poor. It turns out that it is missing. When the curability of 2-ethyl 4-methylimidazole constituting the component C in this example was examined by the above-described method using DSC, the curing start temperature was 36 ° C.
[0049]
In Comparative Example 5, since the structure contained an epoxy resin containing a phosphorus atom and not containing a halogen atom, it burned in a combustion test using a resin plate.
In Comparative Example 6, an organophosphorus compound other than an epoxy resin was blended, but the heat resistance was reduced, and it burned in a combustion test. The handleability of the prepreg with this epoxy resin composition was such that the added phosphorus-containing organic flame retardant was liquid at room temperature, so that the resin sunk quickly when the prepreg was formed, tackiness was lost, and handleability was poor.
[0050]
In Comparative Example 7, aluminum hydroxide was blended as the inorganic filler. However, when the prepreg was formed, the inorganic filler was selectively filtered. Content variation occurred. For this reason, the presence of the inorganic filler remaining in the surface layer of the prepreg makes the prepreg less sticky. In addition, in the combustion test, it burned, and the mechanical properties of the fiber-reinforced composite material were not good.
Since the viscosity level of the epoxy resin composition of Comparative Example 8 was too high, impregnation in prepreg was poor, and further, tackiness was small and handleability was poor.
The viscosity of the epoxy resin composition of Comparative Example 9 was too low, the tackiness of the prepreg became strong, and it could not be peeled off once attached.
[0051]
【The invention's effect】
As described in detail above, the epoxy resin composition of the present invention contains two types of epoxy resins (A) and (B) and a curing agent (C) to provide excellent mechanical properties and flame retardancy. It is possible to provide a fiber reinforced composite material having excellent properties, excellent curability at a low temperature of 100 ° C. or lower, and further excellent storage stability at around room temperature.
Furthermore, the epoxy resin composition of the present invention has a good impregnating property when impregnating it with a reinforcing fiber to form a prepreg, and has excellent storage stability near room temperature and a sufficient working life. The fiber-reinforced composite material obtained by curing and molding in the above has mechanical properties and excellent flame retardancy.