WO2022176773A1 - 繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物、繊維強化複合材料、および繊維強化複合材料の製造方法 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to an epoxy resin composition for fiber-reinforced composite materials, a fiber-reinforced composite material using the same, and a method for producing a fiber-reinforced composite material.
  • 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, but it requires many processes such as prepreg preparation and lamination. Therefore, it can only be produced in small quantities and is not suitable for mass production, which poses a problem of productivity.
  • 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.
  • a one-component or two-component epoxy resin composition is used as the liquid epoxy resin composition.
  • a one-liquid type epoxy resin composition is an epoxy resin composition in which all components including an epoxy resin and a curing agent are premixed together.
  • the composition is called a two-component epoxy resin composition.
  • a one-component epoxy resin composition is often used.
  • a one-liquid type epoxy resin composition In order to apply a one-liquid type epoxy resin composition to a huge structural material such as an aircraft main wing and tail wing, it is required to simultaneously satisfy the following two conditions.
  • the resin viscosity during resin injection into the reinforcing fiber base material must be kept low for a long time. In some cases, the temperature rise rate is slow, so even in that case, it is possible to impart the high level of physical properties (heat resistance, high compressive strength, impact resistance, durability) required for structural material applications to fiber reinforced composite materials. is required.
  • Patent Document 1 a one-part epoxy resin composition containing methylenebis(3-chloro-2,6-diethylaniline) (M-CDEA) as a curing agent has been disclosed, which suppresses the increase in viscosity for a long time.
  • Patent Document 2 a one-liquid type epoxy resin composition in which a fluorene amine curing agent is partially dispersed as a solid is disclosed, and a method for suppressing an increase in viscosity for a long time has been proposed.
  • the fluorene amine curing agent dispersed as a part of the solid may aggregate, and the fluorene amine curing agent may not adhere to the reinforcing fiber base material.
  • this agglomerate may be filtered out by the base material, or the fluorene amine curing agent has a very high melting point of 201°C, and may remain partially melted even at a high temperature of 180°C, resulting in poor curing. There is a problem that heat resistance is not expressed.
  • Patent Documents 3 and 4 described above enable sufficiently high-speed curing, sufficiently cure the resin after molding, and can impart high heat resistance and high mechanical properties to the fiber-reinforced composite material. If the temperature rise rate is slow, the surface of the binder that connects the reinforcing fiber base material cannot be melted into the resin, and the adhesion between the resin and the binder is poor, resulting in sufficient compressive strength and compressive strength after impact for fiber-reinforced composite materials. , there is a problem that microcrack resistance is not expressed.
  • the object of the present invention is to maintain a low viscosity for a long time during resin injection into a reinforcing fiber base material, and to achieve a high level of physical properties (heat resistance) required for structural material applications even when the temperature rise rate during heat curing is slow. , high compressive strength, impact resistance and durability) to fiber-reinforced composite materials. Furthermore, by using such an epoxy resin composition, it is intended to provide a fiber-reinforced composite material excellent in glass transition temperature of the cured resin, 0° compressive strength under wet heat, compressive strength after impact, and microcrack resistance. .
  • the epoxy resin composition for fiber-reinforced composite materials of the present invention has the following configuration. That is, [A] tetraglycidyldiaminodiphenylmethane is contained in 70% by mass or more and 90% by mass or less in 100% by mass of the total epoxy resin component, and [B] bisphenol F type epoxy resin is included in 100% by mass of the total epoxy resin component. 10% by mass or more and 30% by mass or less, and [C] 4,4'-methylenebis(3-chloro-2,6-diethylaniline) and [D]4,4'-methylenebis(3,3',5, 5′-tetraisopropylaniline) for fiber-reinforced composite materials.
  • the fiber-reinforced composite material of the present invention includes the cured epoxy resin composition for fiber-reinforced composite materials of the present invention and a reinforcing fiber base material.
  • the present invention it is possible to maintain a low viscosity for a long time during resin injection into a reinforcing fiber base material, and achieve a high level of physical properties (heat resistance, high It is possible to provide an epoxy resin composition for fiber-reinforced composite materials that can impart compressive strength, impact resistance, and durability to fiber-reinforced composite materials.
  • the epoxy resin composition for a fiber-reinforced composite material of the present invention contains [A] tetraglycidyldiaminodiphenylmethane in an amount of 70% by mass or more and 90% by mass or less in 100% by mass of the total epoxy resin components, and [B] bisphenol F type epoxy 10% by mass or more and 30% by mass or less of a resin in 100% by mass of the total epoxy resin component, and [C]4,4'-methylenebis(3-chloro-2,6-diethylaniline) and [D]4, Includes 4'-methylenebis(3,3',5,5'-tetraisopropylaniline).
  • the above components may be simply referred to as component [A], component [B], component [C], and component [D].
  • the epoxy resin composition for fiber-reinforced composite materials may be simply referred to as an epoxy resin composition.
  • the epoxy resin composition containing the above parts by mass of the component [A] and the component [B] and containing the component [C] and the component [D]
  • resin injection into the reinforcing fiber base material which was difficult with conventional technology, can be performed.
  • the resin viscosity inside maintains low viscosity for a long time, and even when the temperature rise rate during heat curing is slow, the high level of physical properties (heat resistance, high compressive strength, impact resistance, durability) required for structural material applications is achieved. It can be applied to fiber reinforced composite materials.
  • Component [A] in the present invention is tetraglycidyldiaminodiphenylmethane.
  • Component [A] is a component necessary for imparting high heat resistance and mechanical properties to the cured epoxy resin and fiber-reinforced composite material.
  • the tetraglycidyldiaminodiphenylmethane of component [A] means N,N,N',N'-tetraglycidyldiaminodiphenylmethane, or derivatives or isomers thereof.
  • N,N,N',N'-tetraglycidyl-4,4'-diaminodiphenylmethane N,N,N',N'-tetraglycidyl-3,3'-dimethyl-4,4'-diaminodiphenylmethane , N,N,N′,N′-tetraglycidyl-3,3′-diethyl-4,4′-diaminodiphenylmethane, N,N,N′,N′-tetraglycidyl-3,3′-diisopropyl-4 ,4'-diaminodiphenylmethane, N,N,N',N'-tetraglycidyl-3,3'-di-t-butyl-4,4'-diaminodiphenylmethane, N,N,N',N'-tetra glycidyl-3,3'-dimethyl-5,5'-die
  • the component [A] in the present invention must be contained in an amount of 70% by mass or more and 90% by mass or less in 100% by mass of the total epoxy resin component.
  • 70% by mass or more of component [A] is contained in 100% by mass of all epoxy resin components, the cured epoxy resin exhibits high heat resistance, and the 0° compressive strength of the fiber-reinforced composite material when wet and heated is improves.
  • the component [A] is contained in an amount of 90% by mass or less, the viscosity of the epoxy resin composition at the resin impregnation temperature is reduced, and the impregnating property of the reinforcing fiber substrate is improved.
  • cured material refers to the hardened
  • the component [B] in the present invention is a bisphenol F type epoxy resin.
  • Component [B] is a component necessary for reducing the viscosity of the epoxy resin composition at the resin impregnation temperature and improving the impregnating properties of the reinforcing fiber base material.
  • component [B] is a component necessary for imparting high mechanical properties to the cured epoxy resin and fiber-reinforced composite material.
  • the bisphenol F type epoxy resin of component [B] has a structure in which two phenolic hydroxyl groups of bisphenol F are glycidylized.
  • the resin viscosity ⁇ (mPa ⁇ s) at 50°C of component [B] preferably satisfies 1000 ⁇ 10000.
  • is 1000 mPa ⁇ s or more, the viscosity at the resin injection temperature does not become too low, and impregnation due to pits generated by entrainment of air during injection into the reinforcing fiber base material is less likely to occur.
  • the epoxy resin composition has high reactivity at the resin injection temperature, the viscosity increases during the injection process, impregnating the impregnating properties is reduced, resulting in the formation of non-impregnated parts, and the molding takes a long time.
  • the resin viscosity ⁇ (mPa ⁇ s) satisfies 1000 ⁇ 8000.
  • examples of commercially available resins having a resin viscosity ⁇ (mPa s) satisfying the above range include “EPICLON (registered trademark)” 830 (manufactured by DIC Corporation) and “Araldite (registered trademark)” GY282 (Huntsman Japan).
  • the resin viscosity ⁇ (mPa ⁇ s) in the present invention is measured using a Brookfield viscometer in accordance with JIS Z8803 (1991) "Viscosity measurement method using cone-plate rotary viscometer".
  • Commercially available products of alkyl-substituted tetramethylbisphenol F-type epoxy resin include “Epototh (registered trademark)” YSLV-80XY (Nippon Steel & Sumikin Chemical Co., Ltd.).
  • the component [B] in the present invention must be contained in an amount of 10% by mass or more and 30% by mass or less in 100% by mass of the total epoxy resin component.
  • component [B] When 10 parts by mass or more of component [B] is contained in 100% by mass of all epoxy resin components, the viscosity of the epoxy resin composition at the resin impregnation temperature is reduced, the impregnation of the reinforcing fiber base material is improved, and the Impregnation can be prevented, and high toughness and elastic modulus are exhibited in cured epoxy resins.
  • component [B] is 30 mass % or less, high heat resistance is exhibited. From this point of view, the content of component [B] is preferably in the range of 10% by mass or more and 25% by mass or less in 100% by mass of the total epoxy resin component.
  • the epoxy resin composition for fiber-reinforced composite materials of the present invention may contain an epoxy resin other than component [A] and component [B] as long as it is 20% by mass or less based on 100% by mass of the total epoxy resin component.
  • Epoxy resins other than component [A] and component [B] include bisphenol-type epoxy resins other than component [B], phenol novolac-type epoxy resins, cresol novolak-type epoxy resins, resorcinol-type epoxy resins, and phenol aralkyl-type epoxy resins.
  • Epoxy resins other than component [A] and component [B] may be contained in one type or in two or more types.
  • epoxy resins other than component [A] and component [B] include bisphenol A diglycidyl ether, tetrabromobisphenol A diglycidyl ether, bisphenol AD diglycidyl ether, 2,2′,6,6 '-Tetramethyl-4,4'-biphenol diglycidyl ether, 9,9-bis(4-hydroxyphenyl)fluorene diglycidyl ether, tris(p-hydroxyphenyl)methane triglycidyl ether, tetrakis(p-hydroxy phenyl)ethane tetraglycidyl ether, phenol novolac glycidyl ether, cresol novolac glycidyl ether, glycidyl ether of condensate of phenol and dicyclopentadiene, glycidyl ether of biphenylaralkyl resin, triglycidyl isocyanurate, 5-ethyl-1,3
  • bisphenol-type epoxy resins other than the component [B] are preferably used because they tend to contribute to an excellent balance of toughness and heat resistance of cured epoxy resins.
  • liquid bisphenol type epoxy resins are preferably used as epoxy resins other than component [A] and component [B] because they contribute excellently to impregnating reinforcing fibers.
  • “liquid” means that the viscosity at 25°C is 1000 Pa ⁇ s or less.
  • solid means that the liquid has no fluidity or extremely low fluidity at 25°C, and specifically has a viscosity of more than 1000 Pa ⁇ s at 25°C.
  • the viscosity is measured according to JIS Z8803 (1991) "Viscosity measurement method using cone-flat rotary viscometer", E-type viscometer equipped with a standard cone rotor (1°34' ⁇ R24) (for example, ) Measured using Tokimec TVE-30H).
  • the bisphenol-type epoxy resin excluding component [B] is a bisphenol compound other than bisphenol F in which two phenolic hydroxyl groups are glycidylized.
  • Examples of bisphenol type epoxy resins other than component [B] include bisphenol A type epoxy resins, bisphenol AD type epoxy resins, bisphenol S type epoxy resins, etc.
  • the bisphenol compound portion of these bisphenol type epoxy resins is halogen-substituted. , alkyl-substituted ones, hydrogenated ones, and the like.
  • the bisphenol-type epoxy resin not only a monomer but also a high molecular weight substance having a plurality of repeating units can be suitably used. From the viewpoint of the balance between the toughness and heat resistance of the cured epoxy resin, the content of the bisphenol-type epoxy resin other than the component [B] should be 20% by mass or less in 100% by mass of the total epoxy resin component. is preferred.
  • bisphenol A type epoxy resins include "jER (registered trademark)” 825, “jER (registered trademark)” 826, “jER (registered trademark)” 827, “jER (registered trademark)” 828, “jER ( Registered trademark)”834, “jER (registered trademark)” 1001, “jER (registered trademark)” 1002, “jER (registered trademark)” 1003, “jER (registered trademark)” 1004, “jER (registered trademark)” 1004AF , “jER (registered trademark)” 1007, “jER (registered trademark)” 1009 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation), “EPICLON (registered trademark)” 850 (manufactured by DIC Corporation), “Epotote (registered trademark) “YD-128 (manufactured by Nippon Steel & Sumikin Chemical Co., Ltd.), “DER (registered trademark)”-331, “DER (registered trademark)
  • Component [C] in the present invention is 4,4'-methylenebis(3-chloro-2,6-diethylaniline).
  • Component [C] is a component necessary to keep the resin viscosity low for a long time during injection of the resin into the reinforcing fiber base material and to impart high mechanical properties to the cured epoxy resin and fiber-reinforced composite material.
  • Commercial products of such 4,4'-methylenebis(3-chloro-2,6-diethylaniline) include "Lonza Cure (registered trademark)" M-CDEA (manufactured by Lonza Co., Ltd.).
  • the component [C] in the present invention is preferably contained in an amount of 60% by mass or more and 90% by mass or less in 100% by mass of all curing agent components.
  • the component [C] is contained in an amount of 60% by mass or more in 100% by mass of the total curing agent component, the reactivity of the epoxy resin composition tends to be moderately suppressed, and the resin during resin injection into the reinforcing fiber base material Viscosity becomes easy to keep low viscosity especially for a long time.
  • the binder that connects the reinforcing fiber base material does not melt excessively in the resin when the temperature rise rate during heat curing is slow, and the binder shape is easily maintained.
  • the content of component [C] is more preferably in the range of 70% by mass or more and 90% by mass or less in 100% by mass of the total curing agent components.
  • Component [D] in the present invention is 4,4'-methylenebis(3,3',5,5'-tetraisopropylaniline).
  • Component [D] is a component necessary for imparting high heat resistance and mechanical properties to the cured epoxy resin and fiber-reinforced composite material.
  • Commercially available products of such 4,4'-methylenebis(3,3',5,5'-tetraisopropylaniline) include "Lonza Cure (registered trademark)" M-DIPA (manufactured by Lonza Co., Ltd.).
  • Component [D] in the present invention is preferably contained in an amount of 5% by mass or more and 40% by mass or less in 100% by mass of the total curing agent component.
  • component [D] is contained in an amount of 5% by mass or more in 100% by mass of all curing agent components, high heat resistance tends to be exhibited.
  • the content is 40% by mass or less, the surface layer of the binder that connects the reinforcing fiber base material melts into the resin when the temperature rise rate during heat curing is slow, and the adhesion between the resin and the binder tends to be good. Sufficient compressive strength, post-impact compressive strength, and microcrack resistance are likely to develop. From this point of view, the content of component [D] is more preferably in the range of 5% by mass or more and 30% by mass or less based on 100% by mass of the total curing agent components.
  • the epoxy resin composition for fiber-reinforced composite materials of the present invention preferably further contains [E]4,4'-methylenebis(2-isopropyl-6-methylaniline).
  • [E]4,4'-methylenebis(2-isopropyl-6-methylaniline) may be simply referred to as component [E].
  • component [E] Including the component [E] makes it easier for the epoxy resin cured product and the fiber-reinforced composite material to obtain higher heat resistance and higher mechanical properties.
  • Commercially available products of such 4,4'-methylenebis(2-isopropyl-6-methylaniline) include "Lonza Cure (registered trademark)" M-MIPA (manufactured by Lonza Co., Ltd.).
  • the content of component [E] is preferably 5% by mass or more and 20% by mass or less in 100% by mass of the total curing agent component.
  • component [E] is contained in an amount of 5% by mass or more in 100% by mass of the total curing agent components, the heat resistance and compressive strength of the fiber-reinforced composite material are likely to be improved.
  • the content is 20% by mass or less, even if the uniform epoxy resin composition in which the component [E] is dissolved is stored frozen for a long period of time, the component [E] is less likely to precipitate, resulting in excellent handleability.
  • high-speed curability at a high temperature of 180° C. is likely to be exhibited. From this point of view, the content of component [E] is more preferably 5% by mass or more and 15% by mass or less in 100% by mass of the total curing agent components.
  • the epoxy resin composition for fiber-reinforced composite materials of the present invention may contain a compound having an active group capable of reacting with the epoxy resin as a curing agent other than component [C], component [D], and component [E]. good.
  • active groups that can react with epoxy resins include amino groups and acid anhydride groups. The higher the storage stability of the epoxy resin composition, the better.
  • liquid curing agents are highly reactive. It is preferably solid.
  • the curing agents other than component [C], component [D] and component [E] are preferably aromatic amines.
  • curing agents other than component [C], component [D] and component [E] preferably have 1 to 4 phenyl groups in the molecule.
  • the elastic modulus of the resin is improved, which can contribute to the improvement of mechanical properties. More preferably, it is an aromatic polyamine compound that is a phenyl group having an amino group at the end.
  • aromatic polyamine compounds include metaphenylenediamine, diaminodiphenylmethane, diaminodiphenylsulfone, metaxylylenediamine, diphenyl-p-dianiline, alkyl-substituted derivatives thereof, and isomers having different amino group positions. body, etc.
  • These curing agents can be used alone or in combination of two or more.
  • diaminodiphenylmethane and diaminodiphenylsulfone are preferable from the viewpoint of imparting high heat resistance to the cured epoxy resin.
  • curing agents for aromatic polyamine compounds include Seikacure S (manufactured by Wakayama Seika Kogyo Co., Ltd.), MDA-220 (manufactured by Mitsui Chemicals, Inc.), “jER Cure (registered trademark)” W (Mitsubishi Chemical Co., Ltd.), and 3,3′-DAS (manufactured by Mitsui Chemicals, Inc.), “Lonza Cure (registered trademark)” M-DEA (manufactured by Lonza Co., Ltd.), “Kayahard (registered trademark)” AA (PT) (manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd.) and "Lonza Cure (registered trademark)” DETDA 80 (manufactured by Lonza Co., Ltd.).
  • the epoxy resin composition for fiber-reinforced composite materials of the present invention contains other components such as a curing accelerator, a plasticizer, a dye, a pigment, an inorganic filler, an antioxidant, an ultraviolet absorber, a coupling agent, and a surfactant. etc. can be included as needed.
  • the epoxy resin composition for fiber-reinforced composite materials of the present invention is a composition containing component [A], component [B], component [C], and component [D] immediately before injection impregnation into the reinforcing fiber base material.
  • component [A], component [B], component [C], and component [D] immediately before injection impregnation into the reinforcing fiber base material.
  • Good, during storage it may be stored as a single composition containing all components, or may be stored as a plurality of compositions containing arbitrarily selected components.
  • When storing as multiple compositions for example, store as two compositions, an epoxy base liquid containing component [A] and component [B], and a curing agent group containing component [C] and component [D].
  • compositions containing all the components by mixing the epoxy base liquid and the curing agent group immediately before injecting and impregnating the reinforcing fiber base material.
  • the combination of components contained in each composition can be arbitrarily selected.
  • the combination of components contained in each composition is, from the viewpoint of preventing thickening due to the curing reaction, the epoxy resin component [A] and component [B] and the curing agent. It is preferable to include a certain component [C] and component [D] in separate compositions.
  • 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 1.1 or more and 1.4 or less. is preferred. H/E is more preferably 1.1 or more and 1.3 or less. When H/E is 1.1 or more, the effect of improving the plastic deformation ability of the cured epoxy resin is likely to be obtained. Moreover, when H/E is 1.4 or less, it becomes easy to express high heat resistance.
  • the total content of components [A] to [D] is preferably 70 to 100% by mass because the effects of the present invention are manifested remarkably. , more preferably 80 to 100% by mass.
  • the epoxy resin composition for fiber-reinforced composite materials of the present invention may contain core-shell rubber particles.
  • Core-shell rubber particles are excellent in that they tend to impart high toughness to fiber-reinforced composite materials.
  • core-shell rubber particles refer to particles in which a particulate core part mainly composed of a polymer such as crosslinked rubber is coated with a part or the whole of the core surface by a method such as graft polymerization of a polymer different from the core part. means
  • components constituting the core portion of the core-shell rubber particles include polymers polymerized from one or more selected from conjugated diene-based monomers, acrylic acid ester-based monomers, and methacrylic acid ester-based monomers, or silicone resins. be done.
  • conjugated diene-based monomers include butadiene, isoprene, and chloroprene.
  • the polymer used as the component constituting the core portion is preferably a crosslinked polymer composed of one or more of these conjugated diene monomers.
  • butadiene since the resulting polymer has good properties and is easy to polymerize, it is preferable to use butadiene as such a conjugated diene-based monomer. It is preferably a polymerized polymer.
  • the shell portion of the core-shell rubber particles is preferably graft-polymerized to the core portion and chemically bonded to the polymer particles forming the core portion.
  • components constituting such a shell portion include polymers polymerized from one or more selected from (meth)acrylic acid esters, aromatic vinyl compounds, and the like.
  • the components constituting the shell portion include the components contained in the epoxy resin composition for fiber-reinforced composite materials of the present invention, that is, the epoxy resin or a functional agent that reacts with the curing agent thereof. A group is preferably introduced.
  • Such a functional group include, for example, hydroxyl groups, carboxyl groups, epoxy groups, and the like.
  • an epoxy group is preferable because it enhances the affinity between the shell component and the epoxy resin composition of the present invention, and enables the expression of good dispersibility. That is, the core-shell rubber particles are preferably core-shell rubber particles containing an epoxy group in the shell portion.
  • one or a plurality of components such as acrylic acid esters and methacrylic acid esters containing such a functional group are used as a part of the monomer core.
  • a method such as graft polymerization on the surface can be mentioned.
  • the core-shell rubber particles 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 size is measured using a Nanotrack particle size distribution analyzer (manufactured by Nikkiso Co., Ltd., dynamic light scattering method).
  • a Nanotrack particle size distribution analyzer manufactured by Nikkiso Co., Ltd., dynamic light scattering method.
  • a thin section of the epoxy resin cured material prepared with a microtome is observed with a TEM, and image processing software is used from the obtained TEM image. to measure the volume average particle size. 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.
  • the epoxy resin composition for a fiber-reinforced composite material of the present invention contains core-shell rubber particles having an epoxy group in the shell portion, and the volume-average particle diameter of the core-shell rubber particles is in the range of 50 nm or more and 300 nm or less. preferable. That is, the epoxy resin composition for a fiber-reinforced composite material of the present invention further comprises [F] core-shell rubber particles having an epoxy group in the shell portion and having a volume average particle diameter in the range of 50 nm or more and 300 nm or less. more preferred.
  • [F] core-shell rubber particles having 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 may be simply referred to as component [F].
  • component [F] core-shell rubber particles that satisfy these conditions, it becomes easier to disperse the particles uniformly and well in the epoxy resin composition, and it becomes easier to exhibit an excellent effect of improving toughness. .
  • core-shell rubber particles there are no particular restrictions on the method for producing the core-shell rubber particles, and those produced by known methods can be used.
  • Commercially available core-shell rubber particles include, for example, "Paraloid (registered trademark)” EXL-2655 (manufactured by Rohm & Haas) composed of a butadiene/alkyl methacrylate/styrene copolymer, and an acrylic acid ester/methacrylic acid ester copolymer.
  • 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 Ganz Kasei 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 any one of Examples 1 to 3 of 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 component [F] is preferably 1 part by mass or more and 10 parts by mass or less, and 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. It is more preferable to have When the content is 1 part by mass or more, it is easy to obtain a highly tough epoxy resin cured product. Further, when the content is 10 parts by mass or less, a cured epoxy resin product having a high elastic modulus is likely to be obtained, and the dispersibility of the core-shell rubber particles in the resin is likely to be good. Even if the core-shell rubber particles have epoxy groups, the core-shell rubber particles do not fall under the epoxy resin component.
  • a generally used dispersion method can be used. Examples thereof include a method using a three-roll mill, ball mill, bead mill, jet mill, homogenizer, and rotation/revolution mixer. 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.
  • the epoxy resin composition for fiber-reinforced composite materials of the present invention has a resin viscosity ⁇ (mPa ⁇ s) after 240 minutes at a constant temperature of 120°C, which is obtained by isothermal measurement with an E-type viscometer, and satisfies 20 ⁇ ⁇ ⁇ 200. is preferred.
  • is 20 mPa ⁇ s or more, the viscosity at the resin injection temperature does not become too low, and impregnation due to pits caused by entrainment of air during injection into the reinforcing fiber base material is less likely to occur.
  • the epoxy resin composition has high reactivity at the resin injection temperature, the viscosity increases during the injection process, impregnating the impregnating properties is reduced, resulting in the formation of non-impregnated parts, and the molding takes a long time.
  • is 200 mPa ⁇ s or less, the viscosity at the resin injection temperature is sufficiently low, so that impregnation into the reinforcing fiber base material is good, and non-impregnation is less likely to occur. From this point of view, it is more preferable to satisfy 20 ⁇ 180.
  • the viscosity in the present invention is measured in accordance with JIS Z8803 (1991) "Method for measuring viscosity with a cone-plate rotary viscometer", E-type viscometer equipped with a standard cone rotor (1°34' x R24) (Tokyo Keiki It is measured using a TVE-30H manufactured by Co., Ltd. at a rotational speed of 50 rpm.
  • the epoxy resin composition for a fiber-reinforced composite material of the present invention preferably has a gelling temperature in the range of 170° C. or higher and 185° C. or lower when heated from 70° C. at a heating rate of 0.5° C./min.
  • 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.
  • thermosetting measuring device such as ATD-1000 (manufactured by Alpha Technologies Co., Ltd.)
  • the dynamic viscoelasticity of the epoxy resin composition was measured by heating from 70 ° C. at a temperature increase rate of 0.5 ° C./min.
  • the gelation temperature When the gelation temperature is 170° C. or higher, the gelation temperature tends to be higher than the melting point of the binder that connects the reinforcing fiber base materials. When the gelation temperature is higher than the melting point of the binder, the binder that connects the reinforcing fiber base material begins to melt at a temperature lower than the gelation temperature of the epoxy resin composition.
  • the epoxy resin gels and hardens, entangling the resin and polyamide molecular chains and improving the interfacial adhesive strength, making it easier to improve compressive strength, impact resistance, and microcrack resistance.
  • the gelation temperature is 185° C. or lower, the gelation temperature is unlikely to be too high relative to the melting point of the binder that connects the reinforcing fiber base materials. In such a case, the binder that connects the reinforcing fiber base material does not melt too much in the resin and maintains the shape of the binder. Post-impact compressive strength is likely to develop. From this point of view, the gelling temperature is more preferably in the range of 175°C or higher and 185°C or lower.
  • the epoxy resin composition for fiber-reinforced composite materials of the present invention preferably has a glass transition temperature Tg of 170°C or higher and 190°C or lower when cured at 180°C for 120 minutes.
  • 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 Tg to 170° C. or higher, the heat resistance of the cured epoxy resin can be easily ensured. In addition, by setting the temperature to 190° C. or less, curing shrinkage of the epoxy resin composition is 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 fiber can be easily prevented. Become.
  • the glass transition temperature Tg is 175° C. or more and 190° C. or less from the relationship between heat resistance and surface quality.
  • the glass transition temperature Tg of the epoxy resin cured product 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.
  • DMA dynamic viscoelasticity measurement
  • the fiber-reinforced composite material of the present invention includes the cured epoxy resin composition for fiber-reinforced composite materials of the present invention and a reinforcing fiber base material.
  • an epoxy resin composition comprising an epoxy resin and a curing agent is injected into a reinforcing fiber base material placed in a heated mold, impregnated, and cured 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.
  • a sheet-like base material such as a reinforcing fiber fabric is laminated and shaped using a hot-melt binder (tackifier), and processed into a shape similar to the desired product. preforms are often used. Both thermoplastic resins and thermosetting resins can be used as hot-melt binders.
  • 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 form is particularly suitable for use. When the binder is in the form of particles, it is called binder particles, and when the binder is in the form of 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.
  • the average particle size of the binder particles can be measured using, for example, a laser diffraction particle size distribution meter.
  • the average particle size is 10 ⁇ m or more, the adhesion strength and workability when used as a preform are likely to be improved. From this point of view, the average particle size is more preferably 30 ⁇ m or more.
  • the average particle size is 500 ⁇ m or less, the reinforcing fibers are less likely to waviness when formed into a preform, and the resulting fiber-reinforced composite material tends to have improved mechanical properties. From this point of view, the average particle size is more preferably 300 ⁇ m or less.
  • the average diameter of the fibers constituting the nonwoven fabric 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 diameters of 100 arbitrarily selected fibers, and calculating the arithmetic mean value. If the cross-sectional shape of the fiber is not perfectly circular, the minor axis is measured as its diameter. When the average diameter is 10 ⁇ m or more, the adhesion strength of the preform is likely to be improved.
  • the average diameter is 300 ⁇ m or less, the reinforcing fibers of the preform are less likely to waviness, and the resulting fiber-reinforced composite material tends to have improved 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 reinforcing fiber base material is a preform in which the reinforcing fiber base material is connected with a binder in the form of a non-woven fabric. Since the reinforcing fiber base material is a preform in which the reinforcing fiber base material is connected with a binder in the form of a non-woven fabric, the binder can be uniformly arranged on the base material. Therefore, it is particularly excellent in impregnation, and voids are extremely unlikely to occur. In addition, even if the amount of the binder attached is smaller than that of the binder in the form of particles, the effect of fixing the shape when used as a preform can be maintained at the same level. It is easy to express heat resistance and mechanical properties.
  • the fiber-reinforced composite material of the present invention is a gel obtained by heating the epoxy resin composition for fiber-reinforced composite materials from 70° C. at a heating rate of 0.5° C./min in the cured product of the epoxy resin composition for fiber-reinforced composite materials.
  • the curing temperature is preferably equal to or higher than the melting point of the binder that connects the reinforcing fiber base materials.
  • the difference between the gelation temperature and the melting point (gelation temperature - melting point) is more preferably 1°C or more, and even more preferably 4°C or more.
  • the difference between the gelling temperature and the melting point is preferably 20° C. or less, more preferably 15° C. or less.
  • the binder that connects the reinforcing fiber base material begins to melt at a temperature lower than the gelation temperature of the epoxy resin composition, so the epoxy resin composition enters into the gaps between the loosened polyamide molecular chains.
  • the epoxy resin gels and hardens, and the resin and polyamide molecular chains are entangled to improve the interfacial adhesive strength, and the compressive strength, impact resistance, and microcrack resistance are easily improved. Since the binder that connects the fiber base material does not melt too much in the resin and maintains the shape of the binder, it is possible to ensure a uniform interlayer thickness that allows sufficient plastic deformation in the fiber-reinforced composite material, and to develop sufficient compressive strength after impact. easier to do.
  • the binder in the form of nonwoven fabric 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 during curing, making it easier to ensure a uniform interlayer thickness that allows sufficient plastic deformation, and because the nonwoven fabric is a continuous phase, cracks are effectively blocked. can be made easier, and the impact resistance can be easily expressed.
  • the melting point of the polyamide is 180° C. or lower, the melting point of the polyamide tends to be lower than the gelling temperature of the epoxy resin composition.
  • the polyamide When the melting point of the polyamide is lower than the gelling temperature of the epoxy resin composition, the polyamide begins to melt at a temperature lower than the gelling temperature of the epoxy resin composition. In this state, the epoxy resin gels and hardens, so that the resin and the polyamide molecular chains are entangled and the interfacial adhesive strength is improved, and the compressive strength, impact resistance, and microcrack resistance are further improved.
  • the binder in the form of non-woven fabric is preferably attached to one or both sides of the fiber-reinforced base material.
  • the amount of the binder in the form of nonwoven fabric attached to the surface of the fiber-reinforced base material is preferably 0.5 g/m 2 or more and 10 g/m 2 or less per side. More preferably, the adhesion amount is 1 g/m 2 or more and 7 g/m 2 or less.
  • the adhesion amount is 0.5 g/m 2 or more, the shape of the preform tends to be easily fixed.
  • the matrix resin tends to exhibit sufficient impregnating properties, and voids are less likely to occur.
  • the same effect can be maintained even if the amount of adhered binder is smaller than when the form of particles is adopted.
  • the adhered amount per side is 0.5 g/m 2 or more and 50 g/m 2 or less, preferably 1 g/m 2 or more and 30 g/m 2 or less.
  • the adhesion amount of is preferable, in the non-woven fabric binder, the adhesion amount should be 0.5 g / m 2 or more and 10 g / m 2 or less while maintaining the same effect of fixing the shape when made into a preform. is also possible.
  • a method for obtaining a preform includes, for example, a method of laminating reinforcing fiber base materials with a binder having at least the binder on the surface and fixing the shape. More specifically, for example, a binder is adhered to at least one surface of the reinforcing fiber base material by heating to form a reinforcing fiber base material with a binder, and then a plurality of the binder-attached reinforcing fiber base materials are laminated, so that at least the binder is laminated. A laminate having between the layers is obtained. There is a method of obtaining a preform having a binder at least between the laminated layers by heating and cooling this to fix the shape by fixing the binder between the base 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 pressurizing means a press can be used, or a method of enclosing with a vacuum bag film and sucking the inside with a vacuum pump to pressurize with atmospheric pressure can also be used.
  • the fiber volume content of the reinforcing fibers is preferably in the range of 45% or more and 70% or less, more preferably in the range of 50% or more and 65% or less.
  • the fiber volume content is 45% or more, a fiber-reinforced composite material having a higher elastic modulus and an excellent weight reduction effect can be obtained.
  • it is 70% or less, a fiber-reinforced composite material can be obtained which is free from deterioration in strength due to rubbing between reinforcing fibers and which is excellent in mechanical properties such as tensile strength.
  • the reinforcing fibers that make up the reinforcing fiber base material 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, in applications where there is a high demand for lightweight materials and high strength, the fiber-reinforced composite material of the present invention has excellent specific elastic modulus and specific strength. Carbon fibers are preferred.
  • carbon fibers having a tensile elastic modulus of 230 GPa or more and 400 GPa or less are preferable from the viewpoint 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 of the present invention includes the epoxy resin cured product of the epoxy resin composition for fiber-reinforced composite materials of the present invention and a reinforcing fiber base material.
  • Fiber-reinforced composite materials are required to have high heat resistance and mechanical properties, especially when used in the field of aircraft.
  • the glass transition temperature of the cured epoxy resin which is the matrix resin, is preferably 170° C. or higher and 190° C. or lower. By having a glass transition temperature within this range, excellent heat resistance and high mechanical properties of the epoxy resin cured product are reflected.
  • the fiber-reinforced composite material of the present invention has a high H/W0° compressive strength, which is the 0° compressive strength in wet heat, preferably 1000 MPa or more, and more preferably 1100 MPa or more. can be shown.
  • the post-impact compressive strength is preferably 260 MPa or more, more preferably 270 MPa or more, and can exhibit a high post-impact compressive strength.
  • 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
  • the number of microcracks is preferably less than 10, more preferably 5 or less, from the viewpoint of long-term durability of the fiber-reinforced composite material. A specific method for calculating the number of microcracks will be described later.
  • the epoxy resin composition for a fiber-reinforced composite material of the present invention heated to 50° C. or higher and 130° C. or lower is placed in a mold heated to 90° C. or higher and 180° C. or lower. It is injected into the reinforcing fiber base material, impregnated, and cured in the mold.
  • the epoxy resin composition for fiber-reinforced composite materials was selected from the range of 50° 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 impregnation into the reinforcing fiber base material. heated to temperature before injection.
  • the epoxy resin composition for fiber-reinforced composite materials of the present invention preferably has a resin viscosity of 200 mPa ⁇ s or less, more preferably 180 mPa ⁇ s or less after 240 minutes at a constant temperature of 120°C.
  • viscosity measurement is performed by the method described later. If the viscosity after 240 minutes from the start of injection is higher than the above range, the impregnating properties of the epoxy resin composition may be insufficient. In addition, the resin viscosity after 240 minutes at a constant temperature of 120° C.
  • the mold temperature is preferably 90° C. or higher and 180° C. or lower. To obtain a fiber-reinforced composite material with good surface quality by reducing the time required for curing and at the same time alleviating heat shrinkage after demolding by setting the mold temperature to 90° C. or higher and 180° C. or lower. can be done.
  • the injection pressure of the epoxy resin composition for fiber-reinforced composite materials is usually 0.1 MPa or more and 1.0 MPa or less.
  • a VaRTM (Vacuum Assist Resin Transfer Molding) method in which the inside of the mold is vacuum-sucked to inject the epoxy resin composition can also be used.
  • the injection pressure of the epoxy resin composition for fiber-reinforced composite materials is preferably 0.1 MPa or more and 0.6 MPa in terms of injection time and facility economy. Also, even in the case of pressurized injection, it is preferable to evacuate the inside of the mold before injecting the epoxy resin composition for fiber-reinforced composite material, because the generation of voids can be suppressed.
  • the fiber-reinforced composite material of the present invention has excellent heat resistance, high compressive strength, impact resistance, and durability, it can be used for aircraft such as fuselages, main wings, tail wings, rotor blades, fairings, cowls, doors, seats, and interior materials.
  • aircraft such as fuselages, main wings, tail wings, rotor blades, fairings, cowls, doors, seats, and interior materials.
  • Components, motor cases, spacecraft components such as main wings, satellite components such as structures and antennas, outer panels, chassis, aerodynamic components, automotive components such as seats, railway vehicle components such as structures and seats, ships such as hulls and seats It can be preferably used for many structural materials such as members.
  • a binder was prepared according to the following manufacturing method.
  • Fibers of PA-1 (melting point: 170°C) extruded 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 dispersed and collected in a wire mesh. did.
  • the fiber sheet collected on the wire mesh was thermally bonded using a hot press to prepare a binder 1 in the form of a non-woven fabric.
  • Binder 2 (Preparation of Binder 2) PES ("Sumika Excel (registered trademark)" 5003P, melting point: none) extruded from a nozzle provided with one orifice is spun using an aspirator with an impact plate at the tip and compressed air. After being stretched with a wire mesh, it was scattered and collected. The fiber sheet collected on the wire mesh was thermally bonded using a hot press to prepare a binder 2 in the form of a non-woven fabric.
  • Binder 3 (Preparation of Binder 3) Fibers of PA-2 ("Amilan (registered trademark)" CM1001 manufactured by Toray Industries, Inc., melting point: 225°C) discharged from a nozzle provided with one orifice are passed through an aspirator provided with an impact plate at the tip and compressed air. It was then stretched using a wire mesh and collected by scattering. The fiber sheet collected on the wire mesh was thermally bonded using a heating press to prepare a binder 3 in the form of a non-woven fabric.
  • PA-2 Similar (registered trademark)" CM1001 manufactured by Toray Industries, Inc., melting point: 225°C
  • Binder 4 (Preparation of Binder 4) Fibers of PA-3 ("Platamid (registered trademark)" M1657 manufactured by Arkema Co., Ltd., melting point: 110°C) discharged from a nozzle provided with one orifice are passed through an aspirator provided with an impact plate at the tip and compressed air. It was then stretched using a wire mesh and collected by scattering. The fiber sheet collected on the wire mesh was thermally bonded using a heating press to prepare a binder 4 in the form of a non-woven fabric.
  • PA-3 Plateamid (registered trademark)” M1657 manufactured by Arkema Co., Ltd., melting point: 110°C) discharged from a nozzle provided with one orifice are passed through an aspirator provided with an impact plate at the tip and compressed air. It was then stretched using a wire mesh and collected by scattering. The fiber sheet collected on the wire mesh was thermally bonded using a heating press to prepare a binder 4 in the form of a non-woven fabric.
  • the prepared binder resin composition was frozen and pulverized with liquid nitrogen using a hammer mill (PULVERIZER, manufactured by Hosokawa Micron Corporation) using a screen with a hole size of 1 mm to obtain binder 5 in the form of particles.
  • the particles were passed through sieves with an opening size of 150 ⁇ m and 75 ⁇ m, and the binder particles remaining on the sieve with an opening size of 75 ⁇ m were used for evaluation.
  • 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 for binders 1 to 4, and 10 g/m 2 for binder 5.
  • 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 epoxy resin composition which had been separately heated to 120° C. in advance was injected into the mold at an injection pressure of 0.2 MPa using a resin injection device.
  • the mold was heated from 120° C. to 180° C. at a rate of 0.5° C./min, and after curing at 180° C. for 2 hours, the temperature was lowered to 30° C. to obtain a fiber-reinforced composite material.
  • 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.
  • a width of 25 mm was cut from a region ⁇ 10 mm from the longitudinal center of the test piece exposed to the above environment, the cut surface was polished as an observation surface, and the observation surface was observed at a magnification of 200 using a commercially available microscope.
  • the number of generated cracks was counted. From the viewpoint of long-term durability of the fiber-reinforced composite material, the number of microcracks observed by the above method is preferably less than 10, more preferably 5 or less.
  • a case of 6 or more and less than 10 was rated B, and a case of 10 or more was rated C.
  • Example 1 As shown in Table 1-1, 70 parts by mass of "Araldite (registered trademark)” MY721 as component [A], 30 parts by mass of "EPICLON (registered trademark)” 830 as component [B], and " 59 parts by mass of Lonzacure (registered trademark) "M-CDEA” and 25 parts by mass of "Lonzacure (registered trademark)” M-DIPA as component [D] were added and stirred at 80°C for 1 hour to prepare an epoxy resin composition. . As described above, the gelation temperature of the epoxy resin composition was measured and found to be 177°C.
  • the interfacial adhesion between the binder and the resin is good and the shape of the binder is maintained, so sufficient plastic deformation is possible in the fiber-reinforced composite material. It was a particularly preferable temperature at which a uniform interlayer thickness could be ensured.
  • the viscosity of the epoxy resin composition after being kept at 120° C. for 240 minutes was measured and found to be 140 mPa ⁇ s.
  • a resin cured product was prepared by the method described above, and the Tg of the cured product was measured.
  • a fiber-reinforced composite material was produced using this epoxy resin composition, and the 0° compressive strength under wet heat, the compressive strength after impact, and the number of microcracks were measured. , the compressive strength after impact was 280 MPa, and the number of microcracks was 5 or less.
  • Examples 2-5 An epoxy resin composition was prepared in the same manner as in Example 1, except that the content of each component was changed as shown in Table 1-1. As a result of measuring the gelation temperature of the epoxy resin composition as described above, all of them were 170° C. or higher and 185° C. or lower. It was the temperature at which a uniform interlayer thickness that enables sufficient plastic deformation can be ensured. Among them, Examples 2, 3, and 5 had a temperature of 175° C. or more and 185° C. or less, which was a particularly favorable result. Next, the viscosities of the epoxy resin compositions after being kept at 120° C. for 240 minutes were measured.
  • Examples 2, 3 and 5 had a viscosity of 180 mPa ⁇ s or less, which was a particularly favorable result.
  • cured resins were prepared by the method described above, and the Tg of the cured products was measured.
  • a fiber-reinforced composite material was produced using this epoxy resin composition, and the 0° compressive strength under wet heat, the compressive strength after impact, and the number of microcracks were measured.
  • the compressive strength after impact was 260 MPa or more, and the number of microcracks was less than 10, indicating good mechanical properties and durability.
  • Examples 2, 3, and 5 had a wet heat 0° compressive strength of 1100 MPa or more, a post-impact compressive strength of 270 MPa or more, and the number of microcracks of 5 or less, which were particularly favorable results.
  • Example 6 As shown in Table 1-1, 80 parts by mass of "Araldite (registered trademark)” MY721 as component [A], 20 parts by mass of "EPICLON (registered trademark)” 830 as component [B], and " 52 parts by mass of "Lonzacure (registered trademark)” M-CDEA, 17 parts by mass of "Lonzacure (registered trademark)” M-DIPA as component [D], and “Lonzacure (registered trademark)” M-MIPA as component [E]. 15 parts by mass were added and stirred at 80° C. for 1 hour to prepare an epoxy resin composition. As described above, the gelling temperature of the epoxy resin composition was measured and found to be 170°C.
  • the interfacial adhesion between the binder and the resin is good and the shape of the binder is maintained, so sufficient plastic deformation is possible in the fiber-reinforced composite material.
  • the temperature was such that a uniform interlayer thickness could be ensured.
  • a resin cured product was produced by the method described above, and the Tg of the cured product was measured to be 186° C., and the heat resistance was particularly good.
  • a fiber-reinforced composite material was produced using this epoxy resin composition, and the 0° compressive strength under wet heat, the compressive strength after impact, and the number of microcracks were measured.
  • the strength was 260 MPa, and the number of microcracks was 6 or more and less than 10.
  • Examples 7 and 8 An epoxy resin composition was prepared in the same manner as in Example 6, except that the content of each component was changed as shown in Tables 1-1 and 1-2. As described above, as a result of measuring the gelation temperature of the epoxy resin composition, all of them were 175 ° C. or higher and 185 ° C. or lower. It was a particularly preferable temperature at which a uniform interlayer thickness capable of sufficient plastic deformation could be ensured. Next, the viscosities of the epoxy resin compositions after being kept at 120° C. for 240 minutes were measured, and all of them were 180 mPa ⁇ s or less, and the impregnating properties into reinforcing fibers were particularly good.
  • cured resins were prepared by the method described above, and the Tg of the cured products was measured. Furthermore, a fiber-reinforced composite material was produced using this epoxy resin composition, and the 0° compressive strength under wet heat, the compressive strength after impact, and the number of microcracks were measured. The compressive strength after impact was 270 MPa or more, and the number of microcracks was 5 or less.
  • Example 9 An epoxy resin composition was prepared in the same manner as in Example 7, except that "Araldite (registered trademark)" GY282 was used as component [B]. As described above, the gelation temperature of the epoxy resin composition was measured and found to be 175°C. The interfacial adhesion between the binder and the resin is good and the shape of the binder is maintained, so sufficient plastic deformation is possible in the fiber-reinforced composite material. It was a particularly preferable temperature at which a uniform interlayer thickness could be ensured. Next, as a result of measuring the viscosity of the epoxy resin composition after keeping it at 120° C.
  • a resin cured product was prepared by the method described above, and the Tg of the cured product was measured. Furthermore, a fiber-reinforced composite material was produced using this epoxy resin composition, and the 0° compressive strength under wet heat, the compressive strength after impact, and the number of microcracks were measured. , the compressive strength after impact was 270 MPa, and the number of microcracks was 5 or less.
  • Example 10 An epoxy resin composition was prepared in the same manner as in Example 7, except that "Lonzacure (registered trademark)" M-DEA was used instead of component [E]. As described above, the gelation temperature of the epoxy resin composition was measured and found to be 176°C. The interfacial adhesion between the binder and the resin is good and the shape of the binder is maintained, so sufficient plastic deformation is possible in the fiber-reinforced composite material. It was a particularly preferable temperature at which a uniform interlayer thickness could be ensured. Next, as a result of measuring the viscosity of the epoxy resin composition after keeping it at 120° C. for 240 minutes, it was found to be 160 mPa ⁇ s.
  • a resin cured product was prepared by the method described above, and the Tg of the cured product was measured. Furthermore, a fiber-reinforced composite material was produced using this epoxy resin composition, and the 0° compressive strength under wet heat, the compressive strength after impact, and the number of microcracks were measured. , the compressive strength after impact was 270 MPa, and the number of microcracks was 5 or less.
  • Example 11-13 An epoxy resin composition was prepared in the same manner as in Example 2, except that the content of each component and H/E were changed as shown in Table 1-2. As a result of measuring the gelation temperature of the epoxy resin composition as described above, all of them were 170° C. or higher and 185° C. or lower. It was the temperature at which a uniform interlayer thickness that enables sufficient plastic deformation can be ensured. Among them, Examples 11 and 12 had a temperature of 175° C. or higher and 185° C. or lower, which was a particularly favorable result. Next, the viscosities of the epoxy resin compositions after being kept at 120° C. for 240 minutes were measured.
  • Examples 11 and 12 had a viscosity of 180 mPa ⁇ s or less, which was a particularly favorable result.
  • resin cured products were produced by the method described above, and the Tg of the cured products was measured.
  • Examples 11 and 12 had a temperature of 175° C. or higher, which was a particularly favorable result.
  • a fiber-reinforced composite material was produced using this epoxy resin composition, and the 0° compressive strength under wet heat, the compressive strength after impact, and the number of microcracks were measured. The compressive strength after impact was 260 MPa or more, and the number of microcracks was less than 10, indicating good mechanical properties and durability.
  • Example 11 has 5 or less microcracks
  • Example 12 has a wet heat 0° compressive strength of 1100 MPa or more, a post-impact compressive strength of 270 MPa or more, and a microcrack count of 5 or less. This was a favorable result.
  • Example 14-16 An epoxy resin composition was prepared in the same manner as in Example 7, except that the content of each component and H/E were changed as shown in Tables 1-2 and 1-3. As a result of measuring the gelation temperature of the epoxy resin composition as described above, all of them were 170° C. or higher and 185° C. or lower. It was the temperature at which a uniform interlayer thickness that enables sufficient plastic deformation can be ensured. Among them, Examples 14 and 15 had a temperature of 175° C. or more and 185° C. or less, which was a particularly favorable result. Next, the viscosities of the epoxy resin compositions after being kept at 120° C. for 240 minutes were measured.
  • Examples 14 and 15 had a viscosity of 180 mPa ⁇ s or less, which was a particularly favorable result.
  • resin cured products were produced by the method described above, and the Tg of the cured products was measured.
  • Examples 14 and 15 had a temperature of 175° C. or higher, which was a particularly favorable result.
  • a fiber-reinforced composite material was produced using this epoxy resin composition, and the 0° compressive strength under wet heat, the compressive strength after impact, and the number of microcracks were measured. The compressive strength after impact was 260 MPa or more, and the number of microcracks was less than 10, indicating good mechanical properties and durability.
  • Example 14 has 5 or less microcracks
  • Example 15 has a wet heat 0° compressive strength of 1140 MPa, a post-impact compressive strength of 275 MPa, and a microcrack count of 5 or less, which are particularly favorable results.
  • Met the wet heat 0° compressive strength of 1140 MPa, a post-impact compressive strength of 275 MPa, and a microcrack count of 5 or less, which are particularly favorable results.
  • Example 17 As shown in Table 1-3, 65 parts by mass of "Araldite (registered trademark)” MY721 as component [A], 20 parts by mass of "EPICLON (registered trademark)” 830 as component [B], and " 61 parts by mass of "Lonzacure (registered trademark)” M-CDEA, 26 parts by mass of "Lonzacure (registered trademark)” M-DIPA as component [D], and "Kane Ace (registered trademark)” MX-416 as component [F] 20 parts by mass were added and stirred at 80° C. for 1 hour to prepare an epoxy resin composition. As described above, the gelation temperature of the epoxy resin composition was measured and found to be 177°C.
  • the interfacial adhesion between the binder and the resin is good and the shape of the binder is maintained, so sufficient plastic deformation is possible in the fiber-reinforced composite material. It was a particularly preferable temperature at which a uniform interlayer thickness could be ensured.
  • the viscosity of the epoxy resin composition after keeping it at 120° C. for 240 minutes, it was found to be 170 mPa ⁇ s, and the impregnating property into reinforcing fibers was particularly good.
  • a resin cured product was produced by the method described above, and the Tg of the cured product was measured to be 182° C., and the heat resistance was particularly good.
  • a fiber-reinforced composite material was produced using this epoxy resin composition, and the 0° compressive strength under wet heat, the compressive strength after impact, and the number of microcracks were measured.
  • the strength was 280 MPa, the number of microcracks was 5 or less, and the mechanical properties and durability were particularly good.
  • Example 18 An epoxy resin composition was prepared in the same manner as in Example 17, except that the content of each component and the type of core-shell rubber particles were changed as shown in Table 1-3. As described above, as a result of measuring the gelation temperature of the epoxy resin composition, all of them were 175 ° C. or higher and 185 ° C. or lower. It was a particularly preferable temperature at which a uniform interlayer thickness capable of sufficient plastic deformation could be ensured. Next, the viscosities of the epoxy resin compositions after being kept at 120° C. for 240 minutes were measured. Among them, Example 19 had a value of 170 mPa ⁇ s, which was a particularly favorable result.
  • cured resins were prepared by the method described above, and the Tg of the cured products was measured. Furthermore, a fiber-reinforced composite material was produced using this epoxy resin composition, and the 0° compressive strength under wet heat, the compressive strength after impact, and the number of microcracks were measured. The compressive strength after impact was 260 MPa or more, indicating good mechanical properties, and the number of microcracks was 5 or less, indicating particularly good durability. Among them, Example 18 had a compressive strength after impact of 280 MPa, which was a particularly favorable result.
  • Example 20 As shown in Table 1-3, 65 parts by mass of "Araldite (registered trademark)” MY721 as component [A], 20 parts by mass of "EPICLON (registered trademark)” 830 as component [B], and " 78 parts by mass of "Lonzacure (registered trademark)” M-CDEA, 5 parts by mass of “Lonzacure (registered trademark)” M-DIPA as component [D], and “Lonzacure (registered trademark)” M-MIPA as component [E] 4 parts by mass and 20 parts by mass of "Kane Ace (registered trademark)” MX-416 as component [F] were added and stirred at 80°C for 1 hour to prepare an epoxy resin composition.
  • the gelling temperature of the epoxy resin composition was measured and found to be 184°C.
  • the interfacial adhesion between the binder and the resin is good and the shape of the binder is maintained, so sufficient plastic deformation is possible in the fiber-reinforced composite material. It was a particularly preferable temperature at which a uniform interlayer thickness could be ensured.
  • the viscosity of the epoxy resin composition after keeping it at 120° C. for 240 minutes, it was found to be 120 mPa ⁇ s, and the impregnating property into reinforcing fibers was particularly good.
  • a resin cured product was produced by the method described above, and the Tg of the cured product was measured to be 180° C., and the heat resistance was particularly good.
  • a fiber-reinforced composite material was produced using this epoxy resin composition, and the 0° compressive strength under wet heat, the compressive strength after impact, and the number of microcracks were measured.
  • the strength was 280 MPa, the number of microcracks was 5 or less, and the mechanical properties and durability were particularly good.
  • Example 21 and 22 An epoxy resin composition was prepared in the same manner as in Example 20, except that the content of each component and the type of core-shell rubber particles were changed as shown in Table 1-4. As described above, as a result of measuring the gelation temperature of the epoxy resin composition, all of them were 175 ° C. or higher and 185 ° C. or lower. It was a particularly preferable temperature at which a uniform interlayer thickness capable of sufficient plastic deformation could be ensured. Next, the viscosities of the epoxy resin compositions after being kept at 120° C. for 240 minutes were measured, and all of them were 180 mPa ⁇ s or less, and the impregnating properties into reinforcing fibers were particularly good.
  • Example 21 had a wet heat 0° compressive strength of 1140 MPa and a post-impact compressive strength of 275 MPa, which were particularly favorable results.
  • Example 23-26 An epoxy resin composition was prepared in the same manner as in Example 2, except that the binder species was changed. As a result of measuring the gelling temperature of the epoxy resin composition as described above, all of them were 175° C. or higher and 185° C. or lower, and the interfacial adhesion between the binder and the resin when the melting point of the binder was 165° C. or higher and 180° C. or lower. This was a particularly preferable temperature at which a uniform interlaminar thickness capable of sufficient plastic deformation in the fiber-reinforced composite material could be ensured. Next, the viscosities of the epoxy resin compositions after being kept at 120° C.
  • cured resins were prepared by the method described above, and the Tg of the cured products was measured. Furthermore, a fiber-reinforced composite material was produced using this epoxy resin composition, and the 0° compressive strength under wet heat, the compressive strength after impact, and the number of microcracks were measured. The compressive strength after impact was 260 MPa or more, and the number of microcracks was less than 10, indicating good mechanical properties and durability.
  • Example 21 has 5 or less microcracks
  • Example 25 has a 0° compressive strength under wet heat of 1100 MPa and 5 or less microcracks
  • Example 26 has 5 or less microcracks, which is particularly preferable. was the result.
  • a resin cured product was prepared by the above-described method, and the Tg of the cured product was measured. In particular, heat resistance was good. Furthermore, a fiber-reinforced composite material was produced using this epoxy resin composition, and the 0° compressive strength under wet heat, the compressive strength after impact, and the number of microcracks were measured. Regarding the 0° compressive strength under wet heat, Comparative Example 1 was 990 MPa, which was lower than 1000 MPa, and the 0° compressive strength under wet heat was inferior, but Comparative Example 2 was 1270 MPa, which was a particularly favorable result.
  • Comparative Example 1 was 285 MPa, which was a particularly favorable result, while Comparative Example 2 was 245 MPa, lower than 260 MPa, and inferior in impact resistance. Furthermore, the number of microcracks in Comparative Examples 1 and 2 was 5 or less, indicating particularly good durability.
  • Example 4 An epoxy resin composition was prepared in the same manner as in Example 2, except that only component [C] was used as the curing agent and the content of each component was changed. As described above, the gelation temperature of the epoxy resin composition was measured and found to be 195°C, and the binder melted too much into the resin and the shape of the binder could not be maintained, so sufficient plastic deformation was possible in the fiber-reinforced composite material. It was a temperature at which a uniform interlayer thickness could not be ensured. Next, as a result of measuring the viscosity of the epoxy resin composition after holding it at 120° C. for 240 minutes, it was found to be 90 mPa ⁇ s, indicating that the impregnation of reinforcing fibers was particularly good.
  • a resin cured product was prepared by the method described above, and the Tg of the cured product was measured. Furthermore, a fiber-reinforced composite material was produced using this epoxy resin composition, and the 0° compressive strength under wet heat, the compressive strength after impact, and the number of microcracks were measured. As a result, the compressive strength after impact was 255 MPa, which was lower than 260 MPa, the impact resistance was poor, and the number of microcracks was 5 or less, indicating particularly good durability.
  • a resin cured product was produced by the method described above, and the Tg of the cured product was measured.
  • Comparative Examples 5, 6, and 7 had a temperature of 175° C. or higher, which was a particularly favorable result.
  • a fiber-reinforced composite material was produced using this epoxy resin composition, and the 0 ° compressive strength when wet heat, the compressive strength after impact, and the number of microcracks were measured.
  • the compressive strength after impact was lower than 260 MPa, the number of microcracks was 10 or more, and the mechanical properties and durability were poor.
  • a resin cured product was prepared by the method described above, and the Tg of the cured product was measured. Furthermore, a fiber-reinforced composite material was produced using this epoxy resin composition, and the 0 ° compressive strength when wet heat, the compressive strength after impact, and the number of microcracks were measured. The compressive strength after impact was lower than 260 MPa, the number of microcracks was 10 or more, and the mechanical properties and durability were poor.
  • Example 7 except that instead of component [D] as a curing agent, a kind of curing agent other than component [C], component [D], and component [E] was used and the content ratio of each component was changed.
  • An epoxy resin composition was prepared in the same manner. As a result of measuring the gelation temperature of the epoxy resin composition as described above, the binder that connects the reinforcing fiber base material begins to melt at a temperature higher than the gelation temperature of the epoxy resin composition, which is lower than 170 ° C. It was the temperature at which the interfacial adhesive strength decreased. Next, the viscosities of the epoxy resin compositions after being held at 120° C. for 240 minutes were measured.
  • a resin cured product was prepared by the method described above, and the Tg of the cured product was measured. Furthermore, a fiber-reinforced composite material was produced using this epoxy resin composition, and the 0 ° compressive strength when wet heat, the compressive strength after impact, and the number of microcracks were measured. The compressive strength after impact was lower than 260 MPa, the number of microcracks was 10 or more, and the mechanical properties and durability were poor.
  • the epoxy resin composition for a fiber-reinforced composite material of the present invention maintains a low resin viscosity for a long time during resin injection into a reinforcing fiber base material, so that it has good processability and a heating rate during heat curing. It is possible to impart high-level physical properties (heat resistance, high compressive strength, impact resistance, durability) to fiber-reinforced composite materials even for large structural materials such as aircraft wings, which may be slow to heat. As a result, the application of fiber-reinforced composite materials, especially for aircraft applications, will advance, and further weight reduction is expected to improve fuel efficiency and contribute to the reduction of greenhouse gas emissions.

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Abstract

本発明は、強化繊維基材への樹脂注入中に長時間低粘度を保ち、加熱硬化時の昇温速度が遅い場合でも構造材用途で要求される高いレベルの物性(耐熱性、高圧縮強度、耐衝撃性、耐久性)を繊維強化複合材料に付与出来るエポキシ樹脂組成物、及び、それを用いた繊維強化複合材料を提供することを目的とする。 上記目的を達するため、本発明の繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物は、[A]テトラグリシジルジアミノジフェニルメタンを、全エポキシ樹脂成分100質量%中に70質量%以上90質量%以下含み、かつ[B]ビスフェノールF型エポキシ樹脂を、全エポキシ樹脂成分100質量%中に10質量%以上30質量%以下含み、かつ[C]4,4'-メチレンビス(3-クロロ-2,6-ジエチルアニリン)及び[D]4,4'-メチレンビス(3,3',5,5'-テトライソプロピルアニリン)を含む。

Description

繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物、繊維強化複合材料、および繊維強化複合材料の製造方法
 本発明は、繊維強化複合材料用のエポキシ樹脂組成物、それを用いた繊維強化複合材料、および繊維強化複合材料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。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。
 液状のエポキシ樹脂組成物としては、1液型あるいは2液型エポキシ樹脂組成物が用いられる。1液型エポキシ樹脂組成物とは、エポキシ樹脂、硬化剤を含め、全ての成分が1つに予め混合されたエポキシ樹脂組成物のことである。それに対し、エポキシ樹脂を主成分として含むエポキシ主剤液と硬化剤を主成分として含む硬化剤液とから構成され、使用直前にエポキシ主剤液と硬化剤液の2液を混合して得られるエポキシ樹脂組成物を2液型エポキシ樹脂組成物という。
 RTM法においては、1液型エポキシ樹脂組成物が用いられることが多い。1液型エポキシ樹脂組成物を航空機主翼や尾翼等の巨大な構造材に適用するためには、次にあげる2つの条件を同時に満たすものであることが求められる。一つ目に、未含浸無く巨大な構造材を得るために強化繊維基材への樹脂注入中の樹脂粘度が長時間低粘度を保つこと、二つ目に、巨大な構造材では加熱硬化時の昇温速度が遅い場合があるため、その場合でも構造材用途で要求される高いレベルの物性(耐熱性、高圧縮強度、耐衝撃性、耐久性)を繊維強化複合材料に付与可能であることが求められる。
 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1液型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方法が提案されている(特許文献1)。さらに、フルオレンアミン硬化剤が一部固体として分散した1液型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方法が提案されている(特許文献2)。また、4,4’-メチレンビス(2-イソプロピル-6-メチルアニリン)(M-MIPA)や4,4’-メチレンビス(3,3’,5,5’-テトライソプロピルアニリン)(M-DIPA)を含む1液型エポキシ樹脂組成物が開示されており、180℃で十分な高速硬化ができ、かつ成形後の脱型工程の際、樹脂が十分硬化しており、高いレベルの繊維強化複合材料物性を付与できる方法が提案されている(特許文献3、4)。
特許第5808057号公報 特表平11-511503号公報 特開2010-150310号公報 国際公報第2020/008847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、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)のみを使用するため、硬化性が低く、加熱硬化時の昇温速度が遅い場合は、強化繊維基材を連結するバインダーが樹脂に溶融し過ぎる場合があり、繊維強化複合材料の層間厚みが不均一となり、十分な衝撃後圧縮強度が発現しないという課題がある。
 前述の特許文献2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、一部固体として分散しているフルオレンアミン硬化剤が凝集することがあり、強化繊維基材への樹脂注入時にこの凝集物が基材に濾し取られる場合やフルオレンアミン硬化剤の融点が201℃と非常に高く、180℃の高温でも一部溶け残る場合があり、硬化不良を生じ、十分な高耐熱性が発現しないという課題がある。
 前述の特許文献3、4に記載の方法では、十分な高速硬化が可能で、かつ成形後の樹脂は十分硬化し、高耐熱性や高機械特性を繊維強化複合材料に付与できるが、加熱硬化時の昇温速度が遅い場合は、強化繊維基材を連結するバインダーの表面が樹脂に溶融できず、樹脂とバインダーの接着性が劣り、繊維強化複合材料について十分な圧縮強度や衝撃後圧縮強度、マイクロクラック耐性が発現しないという課題がある。
 このように、従来技術では、前記2つの条件を同時に満たす1液型エポキシ樹脂組成物は存在しなかった。そこで、本発明の目的は、強化繊維基材への樹脂注入中に長時間低粘度を保ち、加熱硬化時の昇温速度が遅い場合でも構造材用途で要求される高いレベルの物性(耐熱性、高圧縮強度、耐衝撃性、耐久性)を繊維強化複合材料に付与出来るエポキシ樹脂組成物を提供することである。さらには、かかるエポキシ樹脂組成物を用いることで、樹脂硬化物のガラス転移温度、湿熱時の0°圧縮強度、衝撃後圧縮強度、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にある。
 上記課題を解決するため、本発明の繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物は次の構成を有する。すなわち、[A]テトラグリシジルジアミノジフェニルメタンを、全エポキシ樹脂成分100質量%中に70質量%以上90質量%以下含み、かつ[B]ビスフェノールF型エポキシ樹脂を、全エポキシ樹脂成分100質量%中に10質量%以上30質量%以下含み、かつ[C]4,4’-メチレンビス(3-クロロ-2,6-ジエチルアニリン)及び[D]4,4’-メチレンビス(3,3’,5,5’-テトライソプロピルアニリン)を含む繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物である。
 また、本発明の繊維強化複合材料は、本発明の繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物の硬化物と、強化繊維基材とを含む。
 本発明によれば、強化繊維基材への樹脂注入中に長時間低粘度を保ち、加熱硬化時の昇温速度が遅い場合でも構造材用途で要求される高いレベルの物性(耐熱性、高圧縮強度、耐衝撃性、耐久性)を繊維強化複合材料に付与出来る繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物を提供することが可能になる。
 以下に、本発明の望ましい実施の形態について、説明する。
 まず、本発明における繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物について説明する。
 本発明の繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物は、[A]テトラグリシジルジアミノジフェニルメタンを、全エポキシ樹脂成分100質量%中に70質量%以上90質量%以下含み、かつ[B]ビスフェノールF型エポキシ樹脂を、全エポキシ樹脂成分100質量%中に10質量%以上30質量%以下含み、かつ[C]4,4’-メチレンビス(3-クロロ-2,6-ジエチルアニリン)及び[D]4,4’-メチレンビス(3,3’,5,5’-テトライソプロピルアニリン)を含む。以下、上記各成分をそれぞれ単に成分[A]、成分[B]、成分[C]、成分[D]という場合がある。また、繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物を単にエポキシ樹脂組成物という場合がある。
 成分[A]、成分[B]が上記質量部含まれ、かつ成分[C]、成分[D]が含まれるエポキシ樹脂組成物により、従来技術では困難であった強化繊維基材への樹脂注入中の樹脂粘度が長時間低粘度を保ち、加熱硬化時の昇温速度が遅い場合でも構造材用途で要求される高いレベルの物性(耐熱性、高圧縮強度、耐衝撃性、耐久性)を繊維強化複合材料に付与出来る。
 本発明における成分[A]は、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタンである。成分[A]は、エポキシ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]のテトラグリシジルジアミノジフェニルメタンとは、N,N,N’,N’-テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン、またはこれらの誘導体もしくは異性体を意味する。例えば、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、N,N,N’,N’-テトラグリシジル-3,3’-ジメチル-4,4’-ジアミノジフェニルメタン、N,N,N’,N’-テトラグリシジル-3,3’-ジエチル-4,4’-ジアミノジフェニルメタン、N,N,N’,N’-テトラグリシジル-3,3’-ジイソプロピル-4,4’-ジアミノジフェニルメタン、N,N,N’,N’-テトラグリシジル-3,3’-ジ-t-ブチル-4,4’-ジアミノジフェニルメタン、N,N,N’,N’-テトラグリシジル-3,3’-ジメチル-5,5’-ジエチル-4,4’-ジアミノジフェニルメタン、N,N,N’,N’-テトラグリシジル-3,3’-ジイソプロピル-5,5’-ジエチル-4,4’-ジアミノジフェニルメタン、N,N,N’,N’-テトラグリシジル-3,3’-ジイソプロピル-5,5’-ジメチル-4,4’-ジアミノジフェニルメタン、N,N,N’,N’-テトラグリシジル-3,3’-ジ-t-ブチル-5,5’-ジエチル-4,4’-ジアミノジフェニルメタン、N,N,N’,N’-テトラグリシジル-3,3’-ジ-t-ブチル-5,5’-ジメチル-4,4’-ジアミノジフェニルメタン、N,N,N’,N’-テトラグリシジル-3,3’,5,5’-テトラメチル-4,4’-ジアミノジフェニルメタン、N,N,N’,N’-テトラグリシジル-3,3’,5,5’-テトラエチル-4,4’-ジアミノジフェニルメタン、N,N,N’,N’-テトラグリシジル-3,3’,5,5’-テトライソプロピル-4,4’-ジアミノジフェニルメタン、N,N,N’,N’-テトラグリシジル-3,3’,5,5’-テトラ-t-ブチル-4,4’-ジアミノジフェニルメタン、N,N,N’,N’-テトラグリシジル-3,3’-ジクロロ-4,4’-ジアミノジフェニルメタン、N,N,N’,N’-テトラグリシジル-3,3’-ジブロモ-4,4’-ジアミノジフェニルメタン、等を挙げることができる。また、成分[A]として、これらのテトラグリシジルジアミノジフェニルメタンを2種類以上含んでも構わない。
 テトラグリシジルジアミノジフェニルメタンの市販品としては、“スミエポキシ(登録商標)”ELM434(住友化学工業(株)製)、YH434L(新日鉄住金化学(株)製)、“jER(登録商標)”604(三菱化学(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・アドバンズド・マテリアルズ社製)等が挙げられる。
 本発明における成分[A]は、全エポキシ樹脂成分100質量%中に70質量%以上90質量%以下含まれていることが必要である。全エポキシ樹脂成分100質量%中に、成分[A]が70質量%以上含まれる場合は、エポキシ樹脂硬化物が高い耐熱性を発現し、かつ繊維強化複合材料の湿熱時の0°圧縮強度が向上する。また、成分[A]が90質量%以下含まれる場合は、樹脂含浸温度におけるエポキシ樹脂組成物の粘度が低減し、強化繊維基材への含浸性が向上する。かかる観点から、成分[A]の含有量は、全エポキシ樹脂成分100質量%中に80質量%以上90質量%以下の範囲内であることが好ましい。なお、本発明において、エポキシ樹脂硬化物とは、エポキシ樹脂組成物を硬化して得られる硬化物を指す。
 本発明における成分[B]は、ビスフェノールF型エポキシ樹脂である。成分[B]は、樹脂含浸温度におけるエポキシ樹脂組成物の粘度を低減し、強化繊維基材への含浸性を向上させるために必要な成分である。また、成分[B]は、エポキシ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。ここで成分[B]のビスフェノールF型エポキシ樹脂とは、ビスフェノールFの2つのフェノール性水酸基がグリシジル化された構造を有するものである。
 ビスフェノールF型エポキシ樹脂の市販品としては“jER(登録商標)”806、“jER(登録商標)”807、“jER(登録商標)”1750、“jER(登録商標)”4004P、“jER(登録商標)”4007P、“jER(登録商標)”4009P(以上三菱化学(株)製)、“EPICLON(登録商標)”830(DIC(株)製)、“エポトート(登録商標)”YDF-170、“エポトート(登録商標)”YDF2001、“エポトート(登録商標)”YDF2004(以上新日鐵住金化学(株))、“アラルダイト(登録商標)”GY282(ハンツマン・ジャパン(株)製)などが挙げられる。
 本発明において、成分[B]の50℃における樹脂粘度η(mPa・s)が1000≦η≦10000を満たすことが好ましい。ηが1000mPa・s以上である場合は、樹脂注入温度での粘度が低くなりすぎず、強化繊維基材への注入時に空気を巻き込んで発生するピットによる未含浸が生じにくくなる。また、樹脂注入温度において、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が、ηが10000mPa・s以下である場合は、樹脂注入温度における粘度が十分低いため、強化繊維基材への含浸性が向上し、未含浸が生じにくくなる。かかる観点から、樹脂粘度η(mPa・s)が1000≦η≦8000を満たすことがより好ましい。樹脂粘度η(mPa・s)が上記範囲を満たす樹脂の市販品としては、例えば、“EPICLON(登録商標)”830(DIC(株)製)、“アラルダイト(登録商標)”GY282(ハンツマン・ジャパン(株)製)が挙げられる。なお、本発明における樹脂粘度η(mPa・s)は、JIS Z8803(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、B型粘度計を使用して測定される。また、アルキル置換体であるテトラメチルビスフェノールF型エポキシ樹脂の市販品としては、“エポトート(登録商標)”YSLV-80XY(新日鐵住金化学(株))などが挙げられる。
 本発明における成分[B]は、全エポキシ樹脂成分100質量%中に10質量%以上30質量%以下含まれていることが必要である。全エポキシ樹脂成分100質量%中に成分[B]が10質量部以上含まれる場合は、樹脂含浸温度におけるエポキシ樹脂組成物の粘度を低減し、強化繊維基材への含浸性を向上させ、未含浸を防ぐことが出来、さらにエポキシ樹脂硬化物において高い靭性及び弾性率を発現する。また、成分[B]が30質量%以下である場合は、高い耐熱性を発現する。かかる観点から、成分[B]の含有量は、全エポキシ樹脂成分100質量%中に10質量%以上25質量%以下の範囲内であることが好ましい。
 また、本発明の繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物は、成分[A]、成分[B]以外のエポキシ樹脂を、全エポキシ樹脂成分100質量%中に20質量%以下であれば含んでも良い。かかる成分[A]、成分[B]以外のエポキシ樹脂としては、成分[B]を除く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、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂、ナフトールアラルキル型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、ビフェニル骨格を有するエポキシ樹脂、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、トリグリシジルアミン型エポキシ樹脂等が挙げられる。成分[A]、成分[B]以外のエポキシ樹脂は、1種類含まれていても2種類以上含まれていても良い。
 成分[A]、成分[B]以外のエポキシ樹脂としては、より具体的には、ビスフェノールAジグリシジルエーテル、テトラブロモビスフェノールAジグリシジルエーテル、ビスフェノールADジグリシジルエーテル、2,2’,6,6’-テトラメチル-4,4’-ビフェノールジグリシジルエーテル、9,9-ビス(4-ヒドロキシフェニル)フルオレンのジグリシジルエーテル、トリス(p-ヒドロキシフェニル)メタンのトリグリシジルエーテル、テトラキス(p-ヒドロキシフェニル)エタンのテトラグリシジルエーテル、フェノールノボラックグリシジルエーテル、クレゾールノボラックグリシジルエーテル、フェノールとジシクロペンタジエンの縮合物のグリシジルエーテル、ビフェニルアラルキル樹脂のグリシジルエーテル、トリグリシジルイソシアヌレート、5-エチル-1,3-ジグリシジル-5-メチルヒダントイン、ビスフェノールAジグリシジルエーテルとトリレンイソシアネートの付加により得られるオキサゾリドン型エポキシ樹脂、フェノールアラルキル型エポキシ樹脂、トリグリシジルアミノフェノール等が挙げられる。その中でも成分[B]を除くビスフェノール型エポキシ樹脂は、エポキシ樹脂硬化物の靭性、耐熱性のバランスに優れた寄与を与えやすいため好ましく用いられる。特に液状ビスフェノール型エポキシ樹脂は強化繊維への含浸性に優れた寄与を与えるため、成分[A]、成分[B]以外のエポキシ樹脂として、好ましく用いられる。なお、本発明において、「液状」とは、25℃における粘度が1000Pa・s以下であることを指す。また、「固体状」とは、25℃において流動性をもたない、もしくは極めて流動性が低く、具体的には25℃における粘度が1000Pa・sより大きいことを指す。ここで、粘度は、JIS Z8803(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、(株)トキメック製TVE-30H)を使用して測定する。
 ここで、成分[B]を除くビスフェノール型エポキシ樹脂とは、ビスフェノールFを除くビスフェノール化合物の2つのフェノール性水酸基がグリシジル化されたものである。成分[B]を除くビスフェノール型エポキシ樹脂としては、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールAD型エポキシ樹脂、ビスフェノールS型エポキシ樹脂等が挙げられ、これらのビスフェノール型エポキシ樹脂のビスフェノール化合物部分がハロゲン置換されたもの、アルキル置換されたもの、水添されたもの等も含まれる。また、ビスフェノール型エポキシ樹脂としては、単量体に限らず、複数の繰り返し単位を有する高分子量体も好適に使用することができる。エポキシ樹脂硬化物の靭性、耐熱性のバランスの観点から、成分[B]を除くビスフェノール型エポキシ樹脂を含有させる場合の含有量は、全エポキシ樹脂成分100質量%中に20質量%以下であることが好ましい。
 ビスフェノールA型エポキシ樹脂の市販品としては、“jER(登録商標)”825、“jER(登録商標)”826、“jER(登録商標)”827、“jER(登録商標)”828、“jER(登録商標)”834、“jER(登録商標)”1001、“jER(登録商標)”1002、“jER(登録商標)”1003、“jER(登録商標)”1004、“jER(登録商標)”1004AF、“jER(登録商標)”1007、“jER(登録商標)”1009(以上三菱化学(株)製)、“EPICLON(登録商標)”850(DIC(株)製)、“エポトート(登録商標)”YD-128(新日鐵住金化学(株)製)、“DER(登録商標)”-331、“DER(登録商標)”-332(ダウケミカル社製)などが挙げられる。
 ビスフェノールS型エポキシ樹脂の市販品としては、“EPICLON(登録商標)”EXA-1515(DIC(株)製)などが挙げられる。
 本発明における成分[C]は、4,4’-メチレンビス(3-クロロ-2,6-ジエチルアニリン)である。成分[C]は、強化繊維基材への樹脂注入中の樹脂粘度が長時間低粘度を保ち、エポキシ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。かかる4,4’-メチレンビス(3-クロロ-2,6-ジエチルアニリン)の市販品としては、“ロンザキュア(登録商標)”M-CDEA(ロンザ(株)製)などが挙げられる。
 本発明における成分[C]は、全硬化剤成分100質量中に60質量%以上90質量%以下含まれていることが好ましい。全硬化剤成分100質量%中に、成分[C]が60質量%以上含まれる場合は、エポキシ樹脂組成物の反応性が適度に抑えられやすくなり、強化繊維基材への樹脂注入中の樹脂粘度が特に長時間低粘度を保ちやすくなる。また、成分[C]が90質量%以下含まれる場合は、加熱硬化時の昇温速度が遅い場合に強化繊維基材を連結するバインダーが樹脂に溶融し過ぎることなく、バインダー形状を保ちやすいため、繊維強化複合材料において十分な塑性変形が可能な層間厚みを均一に確保しやすく、十分な衝撃後圧縮強度が発現しやすい。かかる観点から、成分[C]の含有量は、全硬化剤成分100質量%中に70質量%以上90質量%以下の範囲内であることがより好ましい。
 本発明における成分[D]は、4,4’-メチレンビス(3,3’,5,5’-テトライソプロピルアニリン)である。成分[D]は、エポキシ樹脂硬化物および繊維強化複合材料に高い耐熱性及び機械特性を与えるために必要な成分である。かかる4,4’-メチレンビス(3,3’,5,5’-テトライソプロピルアニリン)の市販品としては、“ロンザキュア(登録商標)”M-DIPA(ロンザ(株)製)などが挙げられる。
 本発明における成分[D]は、全硬化剤成分100質量%中に5質量%以上40質量%以下含まれていることが好ましい。全硬化剤成分100質量%中に、成分[D]が5質量%以上含まれる場合は、高い耐熱性が発現しやすい。また、40質量%以下含まれる場合は、加熱硬化時の昇温速度が遅い場合に強化繊維基材を連結するバインダー表層が樹脂に溶融し、樹脂とバインダーとの接着性が良好となりやすいため、十分な圧縮強度や衝撃後圧縮強度、マイクロクラック耐性が発現しやすい。かかる観点から、成分[D]の含有量は、全硬化剤成分100質量%中に5質量%以上30質量%以下の範囲内であることがより好ましい。
 本発明の繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物は、さらに[E]4,4’-メチレンビス(2-イソプロピル-6-メチルアニリン)を含むことが好ましい。以下、[E]4,4’-メチレンビス(2-イソプロピル-6-メチルアニリン)を単に成分[E]という場合がある。成分[E]を含むことにより、エポキシ樹脂硬化物および繊維強化複合材料が、より高い耐熱性及びより高い機械特性を得やすくなる。かかる4,4’-メチレンビス(2-イソプロピル-6-メチルアニリン)の市販品としては、“ロンザキュア(登録商標)”M-MIPA(ロンザ(株)製)などが挙げられる。
 本発明の繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物が成分[E]を含む場合の含有量は、全硬化剤成分100質量%中に5質量%以上20質量%以下であることが好ましい。全硬化剤成分100質量%中に、成分[E]が5質量%以上含まれる場合は、繊維強化複合材料の耐熱性及び圧縮強度がより向上しやすくなる。また、20質量%以下含まれる場合は、成分[E]を溶解した均一なエポキシ樹脂組成物を長期冷凍保管しても成分[E]が析出しにくくなるため、取扱性に優れる。また、180℃での高温時の高速硬化性が発現しやすくなる。かかる観点から、成分[E]の含有量は、全硬化剤成分100質量%中に5質量%以上15質量%以下であることがより好ましい。
 また、本発明の繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物は、成分[C]、成分[D]、成分[E]以外の硬化剤として、エポキシ樹脂と反応しうる活性基を有する化合物を含んでも良い。エポキシ樹脂と反応しうる活性基としては、例えば、アミノ基、酸無水基などが挙げられる。エポキシ樹脂組成物は保存安定性が高いほど好ましいが、一般的に液状の硬化剤は反応性が高いため、成分[C]、成分[D]、成分[E]以外の硬化剤は、室温で固形であることが好ましい。
 成分[C]、成分[D]、成分[E]以外の硬化剤は、芳香族アミンであることが好ましい。また、成分[C]、成分[D]、成分[E]以外の硬化剤は、耐熱性、および機械特性の観点から、分子内に1~4個のフェニル基を有することがより好ましい。さらに、分子骨格の屈曲性を付与することで樹脂弾性率が向上し、機械特性向上に寄与できることから、エポキシ樹脂の硬化剤の骨格に含まれる少なくとも1個のフェニル基が、オルト位またはメタ位にアミノ基を有するフェニル基である芳香族ポリアミン化合物であることがさらに好ましい。
 芳香族ポリアミン化合物の具体例をあげると、メタ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、メタキシリレンジアミン、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。これらの硬化剤は単独もしくは2種類以上を併用することができる。中でも、エポキシ樹脂硬化物に高い耐熱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が好ましい。 
 芳香族ポリアミン化合物の硬化剤の市販品としては、セイカキュアS(和歌山精化工業(株)製)、MDA-220(三井化学(株)製)、“jERキュア(登録商標)”W(三菱化学(株)製)、および3,3’-DAS(三井化学(株)製)、“ロンザキュア(登録商標)”M-DEA(ロンザ(株)製)、“カヤハード(登録商標)”A-A(PT)(日本化薬(株)製)および“ロンザキュア(登録商標)”DETDA 80(ロンザ(株)製)などが挙げられる。
 また、本発明の繊維強化複合材料用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。
 本発明の繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物は、強化繊維基材に注入含浸させる直前に成分[A]、成分[B]、成分[C]、成分[D]を含む組成物であれば良く、保管時は全成分を含む単体の組成物として保管しても良いし、任意に選んだ成分を含む複数の組成物として保管しても良い。複数の組成物として保管する場合、例えば、成分[A]及び成分[B]を含むエポキシ主剤液と、成分[C]及び成分[D]を含む硬化剤群との2つの組成物として保管し、強化繊維基材に注入含浸させる直前に、エポキシ主剤液と硬化剤群とを混合して全成分を含む組成物を調製して使用することも可能である。複数の組成物として保管する場合において、各組成物中に含まれる成分の組み合わせは任意に選ぶことが可能である。複数の組成物として保管する場合において各組成物に含まれる成分の組合せとしては、硬化反応による増粘を防止する観点から、エポキシ樹脂である成分[A]及び成分[B]と、硬化剤である成分[C]及び成分[D]とを別々の組成物に含むことが好ましい。
 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1.1以上1.4以下であることが好ましい。H/Eは、1.1以上1.3以下であることがより好ましい。H/Eが1.1以上である場合は、エポキシ樹脂硬化物の塑性変形能力向上の効果が得られやすくなる。また、H/Eが1.4以下である場合は、高い耐熱性を発現しやすくなる。
 本発明の繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物において、成分[A]~成分[D]の合計含有量は、本発明の効果の発現が著しいことから、70~100質量%であることが好ましく、80~100質量%であることがより好ましい。
 本発明の繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物は、コアシェルゴム粒子を含んでいても良い。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やすい点で優れている。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など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を構成する成分としては、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などが挙げられる。共役ジエン系モノマーの具体例としては、ブタジエン、イソプレン、クロロプレンなどが挙げられる。コア部分を構成する成分として用いられるポリマーは、これらの共役ジエン系モノマーを単独で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、コア部分を構成する成分として用いられるポリマーは、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のシェル部分は、前記したコア部分にグラフト重合されており、コア部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。かかるシェル部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が挙げられる。また、分散状態を安定化させやすいことから、該シェル部分を構成する成分には、本発明の繊維強化複合材料用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エポキシ樹脂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、ガラス転移温度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、エポキシ基などが挙げられる。中でも、該シェル成分と本発明のエポキシ樹脂組成物との親和性を高め、良好な分散性が発現可能となる点でエポキシ基が好ましい。すなわち、前記コアシェルゴム粒子は、シェル部分にエポキシ基を含むコアシェルゴム粒子であることが好ましい。
 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、例えば、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などの方法が挙げられる。
 コアシェルゴム粒子は、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。ナノトラック粒度分布測定装置で測定できないコアシェルゴム粒子の体積平均粒子径を測定する場合は、マイクロトームで作成したエポキシ樹脂硬化物の薄切片を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する。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。
 本発明の繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物は、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み、前記コアシェルゴム粒子の体積平均粒子径が50nm以上300nm以下の範囲内にあることが、より好ましい。すなわち、本発明の繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物は、さらに[F]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が、より好ましい。以下、[F]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単に成分[F]という場合がある。繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物が、かかる条件を満たすコアシェルゴム粒子を含むことにより、エポキシ樹脂組成物中に特に一様に良好に分散しやすくなり、優れた靭性向上効果を発現しやすくなる。
 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、公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(Rohm&Haas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(ガンツ化成(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(Rohm&Haas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(以上ガンツ化成(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は、例えば、特開2004-315572号公報の実施例1~3のいずれか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などのケトン系溶媒や、テトラヒドロフラン、ジオキサンなど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。
 成分[F]を含む場合の成分[F]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、高靱性のエポキシ樹脂硬化物が得られやすい。また、10質量部以下とした場合、高弾性率のエポキシ樹脂硬化物が得られやすく、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りやすい。なお、コアシェルゴム粒子がエポキシ基を有する場合でも、コアシェルゴム粒子はエポキシ樹脂成分には該当しない。
 繊維強化複合材料用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・公転ミキサーなどを用いる方法があげられる。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。
 本発明の繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物は、E型粘度計による等温測定より得られる、120℃一定で240分後の樹脂粘度η(mPa・s)が20≦η≦200を満たすことが好ましい。ηが20mPa・s以上である場合は、樹脂注入温度での粘度が低くなりすぎず、強化繊維基材への注入時に空気を巻き込んで発生するピットによる未含浸が生じにくくなる。また、樹脂注入温度において、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が、ηが200mPa・s以下である場合は、樹脂注入温度における粘度が十分低いため、強化繊維基材への含浸性が良好で、未含浸が生じにくくなる。かかる観点から、20≦η≦180を満たすことがより好ましい。なお、本発明における粘度は、JIS Z8803(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(東京計器(株)製、TVE-30H)を使用して、回転速度50回転/分にて測定される。
 本発明の繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物は、70℃から昇温速度0.5℃/分で加熱した際のゲル化温度が170℃以上185℃以下の範囲内にあることが好ましい。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する。具体的には、ATD-1000(Alpha Technologies(株)製)等の熱硬化測定装置を用いて70℃から昇温速度0.5℃/分で加熱して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。ゲル化温度が170℃以上である場合は、ゲル化温度が強化繊維基材を連結するバインダーの融点より高くなりやすい。ゲル化温度が前記バインダーの融点より高い場合、エポキシ樹脂組成物のゲル化温度より低い温度で強化繊維基材を連結するバインダーが融解しだすため、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、圧縮強度や耐衝撃性、マイクロクラック耐性が向上しやすくなる。また、ゲル化温度が185℃以下である場合は、ゲル化温度が強化繊維基材を連結するバインダーの融点に対して高くなり過ぎにくい。そのような場合、強化繊維基材を連結するバインダーが樹脂に溶融し過ぎることなく、バインダー形状を保つため、繊維強化複合材料において十分な塑性変形が可能な層間厚みを均一に確保でき、十分な衝撃後圧縮強度が発現しやすくなる。かかる観点から、ゲル化温度は、175℃以上185℃以下の範囲内であることがより好ましい。
 本発明の繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物は、180℃で120分間硬化したエポキシ樹脂硬化物のガラス転移温度Tgが170℃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する。Tgを170℃以上とすることにより、エポキシ樹脂硬化物の耐熱性が確保されやすくなる。また、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ぎやすくなる。また、耐熱性と表面品位の関係から、ガラス転移温度Tgが175℃以上190℃以下であることがより好ましい。ここで、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Tg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、実施例に記したとおりである。
 本発明の繊維強化複合材料は、本発明の繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物の硬化物と、強化繊維基材とを含む。
 本発明の繊維強化複合材料は、例えば、エポキシ樹脂と硬化剤から成る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、該成形型内で硬化することにより得ることができる。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を製造する方法においては、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など、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。
 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など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、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂ともに適用可能である。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、粒子などの形態を採用することができる。中でも、粒子形態、または不織布形態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形態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す。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などを用いて測定することができる。平均粒子径が10μm以上であると、プリフォームとした時の接着強度および作業性が向上しやすくなる。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以下であると、プリフォームとした時に強化繊維にうねりが生じにくく、得られる繊維強化複合材料の力学特性が向上しやすくなる。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形態を採用する場合、不織布を構成する繊維の平均直径は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、その算術平均値を算出したものである。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以上であると、プリフォームの接着強度が向上しやすくなる。平均直径が300μm以下であると、プリフォームの強化繊維にうねりが生じにくく、得られる繊維強化複合材料の力学特性が向上しやすくなる。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せ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。
 本発明の繊維強化複合材料において、前記強化繊維基材が不織布形態のバインダーで連結されたプリフォームであることが好ましい。強化繊維基材が不織布形態のバインダーで連結されたプリフォームであることにより、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、エポキシ樹脂組成物の含浸流路が確保される。そのため、特に含浸性に優れ、ボイドが極めて発生しにくい。また、粒子形態のバインダーよりもバインダーの付着量が少なくても、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しやすい。
 本発明の繊維強化複合材料は、繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物の硬化物における繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物の70℃から昇温速度0.5℃/分で加熱した際のゲル化温度が、強化繊維基材を連結するバインダーの融点以上であることが好ましい。ゲル化温度と融点の差(ゲル化温度-融点)は、1℃以上がより好ましく、4℃以上がさらに好ましい。また、ゲル化温度と融点の差は、20℃以下が好ましく、15℃以下がさらに好ましい。上記温度差の範囲内にある場合、エポキシ樹脂組成物のゲル化温度より低い温度で強化繊維基材を連結するバインダーが融解しだすため、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、圧縮強度や耐衝撃性、マイクロクラック耐性が向上しやすくなり、かつ、強化繊維基材を連結するバインダーが樹脂に溶融し過ぎることなく、バインダー形状を保つため、繊維強化複合材料において十分な塑性変形が可能な層間厚みを均一に確保でき、十分な衝撃後圧縮強度が発現しやすくなる。
 本発明の繊維強化複合材料において、不織布形態のバインダーが、融点が165℃以上180℃以下の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しやすくなったり、不織布が連続相であるため、クラックを効率的に遮断しやすくすることができ耐衝撃性が発現しやすくなる。ポリアミドの融点が180℃以下の場合、ポリアミドの融点がエポキシ樹脂組成物のゲル化温度より低くなりやすい。ポリアミドの融点がエポキシ樹脂組成物のゲル化温度より低い場合、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、圧縮強度や耐衝撃性、マイクロクラック耐性がより向上することがある。
 本発明の繊維強化複合材料において、繊維強化基材の片面または両面に前記不織布形態のバインダーが付着していることが好ましい。
 本発明の繊維強化複合材料において、繊維強化基材の表面に付着した前記不織布形態のバインダーの付着量が、片面当たり0.5g/m以上10g/m以下であることが好ましい。前記付着量は、1g/m以上7g/m以下であることがより好ましい。付着量が0.5g/m以上である場合、プリフォームとした時の形態固定が容易になりやすい。また、10g/m以下である場合、マトリックス樹脂が十分な含浸性を示しやすくなり、ボイドが発生しにくくなる。また、上述のとおり、バインダーの形態として不織布形態を採用する場合、粒子形態を採用する場合よりもバインダーの付着量が少なくても、同等の効果を維持することができる。具体的には、粒子形態などの通常のバインダーを表面に付着させる場合の付着量は、片面当たり0.5g/m以上50g/m以下、好ましくは1g/m以上30g/m以下の付着量が好ましいのに対し、不織布形態のバインダーでは、プリフォームとした時の形態固定の効果を同等に維持しながら、0.5g/m以上10g/m以下の付着量にすることも可能である。
 プリフォームを得る方法としては、例えば、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、形態を固定する方法が挙げられる。より具体的には、例えば、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の層間に有する積層体が得られる。これを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の層間に有するプリフォームを得る方法が挙げられる。
 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囲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。
 本発明の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%以上の場合、さらに高弾性率であり軽量化効果に優れる繊維強化複合材料が得られる。また、70%以下の場合、強化繊維同士の擦過による強度低下がなく、さらに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。
 本発明における強化繊維基材を構成す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、本発明の繊維強化複合材料において、強化繊維基材を構成する強化繊維が炭素繊維であることが好ましい。
 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、耐衝撃性の点から引張弾性率が230GPa以上400GPa以下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。
 本発明の繊維強化複合材料は、上述のとおり、本発明の繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物のエポキシ樹脂硬化物と、強化繊維基材とを含む。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、マトリックス樹脂であるエポキシ樹脂硬化物のガラス転移温度が、170℃以上190℃以下であることが好ましい。かかる範囲のガラス転移温度を有することにより、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。そのため、本発明の繊維強化複合材料は、湿熱時の0°圧縮強度であるH/W0°圧縮強度が高く、好ましくは1000MPa以上、より好ましい様態では1100MPa以上という、高いH/W0°圧縮強度を示すことができる。また、衝撃後圧縮強度は、好ましくは260MPa以上、より好ましくは、270MPa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。
 本発明の繊維強化複合材料において、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、10個未満であることが好ましく、より好ましくは5個以下である。マイクロクラック数の具体的な算出方法は、後述のとおりである。
 本発明の繊維強化複合材料の製造方法は、50℃以上130℃以下に加熱した本発明の繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物を、90℃以上180℃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、該成形型内で硬化する。繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物は、強化繊維基材への含浸性の点から、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、50℃以上130℃以下の範囲から選択した温度に注入前に加熱される。その際、注入温度において、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成形が困難になる場合がある。このため、本発明の繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物は、120℃一定で240分後の樹脂粘度は200mPa・s以下であることが好ましく、より好ましくは180mPa・s以下である。なお、本発明において粘度測定は、後述の方法により行う。注入開始から240分後の粘度が上記の範囲より高いとエポキシ樹脂組成物の含浸性が不十分になることがある。また、120℃一定240分後における樹脂粘度は20mPa・s以上が好ましく、樹脂注入温度での粘度が低くなりすぎず、強化繊維基材への注入時に空気を巻き込んで発生するピットによる未含浸を防ぐことができる。また、成形型温度は90℃以上180℃以下が好ましい。成形型温度を90℃以上180℃以下とすることにより、硬化に要する時間を短縮するのと同時に、脱型後の熱収縮を緩和させることにより、表面品位の良好な繊維強化複合材料を得ることができる。
 繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物の注入圧力は、通常0.1MPa以上1.0MPa以下である。型内を真空吸引してエポキシ樹脂組成物を注入するVaRTM(Vacuum assist Resins Transfer Molding)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、繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物の注入圧力は0.1MPa以上0.6MPaが好ましい。また、加圧注入を行う場合でも、繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物を注入する前に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。
 本発明の繊維強化複合材料は優れた耐熱性、高圧縮強度、耐衝撃性、耐久性を有するため、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、本発明の繊維強化複合材料用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、本発明はこれらに限定されるものではない。
 <樹脂原料>
 各実施例・比較例のエポキシ樹脂組成物を得るために、以下の樹脂原料を用いた。なお、表中のエポキシ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。
 1.[A]テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン
 ・“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)
 2.[B]ビスフェノールF型エポキシ樹脂
 ・“EPICLON(登録商標)”830(ビスフェノールFのジグリシジルエーテル、エポキシ当量:170g/mol、DIC(株)製)
 ・“アラルダイト(登録商標)”GY282(ビスフェノールFのジグリシジルエーテル、エポキシ当量:171g/mol、ハンツマン・ジャパン(株)製)
 3.成分[A]、成分[B]以外のエポキシ樹脂
 ・“EPICLON(登録商標)”850(ビスフェノールAのジグリシジルエーテル、エポキシ当量:188g/mol、DIC(株)製)。
 4.[C]4,4’-メチレンビス(3-クロロ-2,6-ジエチルアニリン)
 ・“ロンザキュア(登録商標)”M-CDEA(4,4’-メチレンビス(3-クロロ-2,6-ジエチルアニリン、活性水素当量:95g/mol、ロンザ(株)製)。
 5.[D]4,4’-メチレンビス(3,3’,5,5’-テトライソプロピルアニリン)
 ・“ロンザキュア(登録商標)”M-DIPA(4,4’-メチレンビス(3,3’,5,5’-テトライソプロピルアニリン)、活性水素当量:93g/mol、ロンザ(株)製)
 6.[E]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(3,3’-ジイソプロピル-5,5’-ジメチル-4,4’-ジアミノジフェニルメタン、活性水素当量:78g/mol、ロンザ(株)製)
 7.成分[C]、成分[D]、成分[E]以外の硬化剤
 ・“ロンザキュア(登録商標)”M-DEA(3,3’,5,5’-テトラエチル-4,4’-ジアミノジフェニルメタン、活性水素当量:78g/mol、ロンザ(株)製)
 ・“カヤハード(登録商標)”A-A(PT)(2,2’-ジエチル-4,4’-ジアミノ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)
 8.添加剤
 ・“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)
 ・“スタフィロイド(登録商標)”AC-3355(コアシェルゴム粒子(体積平均粒子径:500nm、コア部分:架橋ポリブチルアクリレート、シェル部分:架橋ポリスチレン、アイカ工業(株)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、エポキシ樹脂組成物を調製した。
 <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厚の“テフロン(登録商標)”製スペーサーにより厚み2mmになるように設定したモールド中に注入した。180℃の温度で120分間硬化させ、厚さ2mmの樹脂硬化板を得た。
 <バインダーの作製>
 下記製造方法に従ってバインダーを作製した。
 (バインダー1の作製)
 カプロラクタム1.2g、ラウロラクタム18.8g、イオン交換水10gを圧力容器に仕込んで密閉し、窒素置換した。加熱を開始して、缶内圧力が10kg/cmに到達した後、水分を系外に放出させながら缶内圧力を10.0kg/cmで保持し、内温170℃になると、50分かけて缶内圧力を常圧に戻し、更に窒素フロー下で2時間反応させ重合を完了した。その後、圧力容器からポリマーをガット状に吐出してペレタイズし、これを80℃で24時間真空乾燥して、ナイロン6/12(=6/94質量%)の共重合体PA-1を得た。1個のオリフィスを設けた口金から吐出したPA-1(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1を作製した。
 (バインダー2の作製)
 1個のオリフィスを設けた口金から吐出したPES(住友化学(株)製“スミカエクセル(登録商標)”5003P、融点:なし)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2を作製した。
 (バインダー3の作製)
 1個のオリフィスを設けた口金から吐出したPA-2(東レ(株)製“アミラン(登録商標)”CM1001、融点:225℃)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3を作製した。
 (バインダー4の作製)
 1個のオリフィスを設けた口金から吐出したPA-3(アルケマ(株)製“Platamid(登録商標)”M1657、融点:110℃)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4を作製した。
 (バインダー5の作製)
 クレゾールノボラック型エポキシ樹脂(DIC(株)製“EPICLON(登録商標)”N-660)15質量部、ビスフェノール型エポキシ樹脂(三菱ケミカル(株)製“jER(登録商標)”825)25質量部、ポリエーテルスルホン(住友化学(株)製“スミカエクセル(登録商標)”PES5200P)60質量部を180℃の温度条件にて小型二軸押出機(S1KRCニーダー、(株)栗本鐵工所)を使用して混練を行ってバインダー樹脂組成物を調製した。調製したバインダー樹脂組成物をハンマーミル(PULVERIZER、ホソカワミクロン(株)製)にて、孔サイズ1mmのスクリーンを使用し、液体窒素を用いて凍結粉砕して粒子形態のバインダー5を得た。かかる粒子を目開きサイズ150μmと75μmの篩いに通し、目開きサイズ75μmの篩いに残ったバインダー粒子を評価に使用した。
 <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、バインダー1からバインダー4の場合は5g/m、バインダー5の場合は10g/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)エポキシ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、70℃に加熱したステージにサンプルを投入し、昇温速度0.5℃/分で昇温しながら、周波数1.0Hz、歪み1%で動的粘弾性測定を行い、複素粘性率を求めた。このとき、複素粘性率が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)120℃240分保持後のエポキシ樹脂組成物の粘度の測定
 測定すべき検体を、JIS Z8803(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、120℃に保持した状態で測定した。E型粘度計としては、東京計器(株)製TVE-30H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ガラス転移温度Tg測定
 樹脂硬化板から幅12.7mm、長さ40mmの試験片を切り出し、DMA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℃/分であった。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。
 (4)繊維強化複合材料の湿熱時0°圧縮強度測定
 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120℃に加熱した後、別途予め120℃に加熱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120℃から180℃まで0.5℃/分で昇温して、180℃で2時間硬化した後、30℃まで降温して繊維強化複合材料を得た。
 上記の方法で得た繊維強化複合材料から、幅12.7mm、長さ79.4mmの試験片を、0°方向と長さ方向とが同じになるようにしてカットし、0°圧縮強度用試験片を作製した。この試験片について、72℃温水中に14日間浸漬した後、繊維強化複合材料の0°圧縮強度を測定した。0°圧縮強度の測定は、ASTM D695に準拠し、試験機として、材料万能試験機(インストロン・ジャパン(株)製 4208型インストロン)を用い、測定時のクロスヘッドスピードを1.27mm/min、測定温度を82℃とした。
 (5)繊維強化複合材料の衝撃後圧縮強度測定
 400mm×400mm×4.8mm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、(45°/0°/-45°/90°)を3回繰り返して12枚積層した上に、(90°/-45°/0°/45°)を3回繰り返して12枚積層したものをセットして、型締めを行った。続いて、金型を120℃に加熱した後、予め別途120℃に加熱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120℃から180℃まで0.5℃/分で昇温して、180℃で2時間硬化した後、30℃まで降温して繊維強化複合材料を得た。
 上記の方法で得た繊維強化複合材料から、幅101.6mm、長さ152.4mmの試験片を、0°方向と長さ方向が同じになるようにしてカットし、SACMA SRM 2R-94に準拠し、衝撃後圧縮強度を測定した。試験機として、材料万能試験機(インストロン・ジャパン(株)製、1128型テンシロン)を用いた。ここで、落錘衝撃のエネルギーは6.7J/mm、クロスヘッドスピードは1.27mm/minとした。
 (6)繊維強化複合材料のマイクロクラック数
 上記(5)で得られた繊維強化複合材料から、幅75mm、長さ50mmの試験片を0°方向と長さ方向が同じになるようにしてカットした。得られた試験片を市販の恒温恒湿槽と環境試験機を用いて以下a、b、cの手順に示す環境条件にさらした。
 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。
 上記の環境暴露を行った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した。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、10個未満であることが好ましく、より好ましくは5個以下であるため、5個以下の場合をA、6個以上10個未満の場合をB、10個以上の場合をCとした。
 (実施例1)
 表1-1に示すとおり、成分[A]として“アラルダイト(登録商標)”MY721を70質量部、成分[B]として“EPICLON(登録商標)”830を30質量部、成分[C]として“ロンザキュア(登録商標)”M-CDEAを59質量部、成分[D]として“ロンザキュア(登録商標)”M-DIPAを25質量部加え、80℃で1時間撹拌してエポキシ樹脂組成物を調製した。上記の通りに、エポキシ樹脂組成物のゲル化温度を測定した結果、177℃であり、バインダーと樹脂の界面接着性が良好かつバインダー形状を保つため、繊維強化複合材料において十分な塑性変形が可能な層間厚みを均一に確保できる特に好ましい温度であった。次に、120℃240分保持後のエポキシ樹脂組成物の粘度を測定した結果、140mPa・sであり、特に強化繊維への含浸性も良好であった。また、前述の方法により樹脂硬化物を作製し、硬化物のTgを測定した結果、175℃であり、特に耐熱性も良好であった。さらに、このエポキシ樹脂組成物を用いて繊維強化複合材料を作製し、湿熱時0°圧縮強度、衝撃後圧縮強度、マイクロクラック数を測定した結果、湿熱時0°圧縮強度が1060MPaと良好であり、衝撃後圧縮強度が280MPa、マイクロクラック数は5個以下と特に良好であった。
 (実施例2~5)
 各成分の含有量を表1-1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た。上記の通りに、エポキシ樹脂組成物のゲル化温度を測定した結果、いずれも170℃以上185℃以下であり、バインダーと樹脂の界面接着性が良好かつバインダー形状を保つため、繊維強化複合材料において十分な塑性変形が可能な層間厚みを均一に確保できる温度であった。その中でも、実施例2、3、5は175℃以上185℃以下であり、特に好ましい結果であった。次に、120℃240分保持後のエポキシ樹脂組成物の粘度を測定した結果、いずれも200mPa・s以下であり、強化繊維への含浸性も良好であった。その中でも、実施例2、3、5は180mPa・s以下であり、特に好ましい結果であった。また、前述の方法により樹脂硬化物を作製し、硬化物のTgを測定した結果、いずれも175℃以上であり、特に耐熱性も良好であった。さらに、このエポキシ樹脂組成物を用いて繊維強化複合材料を作製し、湿熱時0°圧縮強度、衝撃後圧縮強度、マイクロクラック数を測定した結果、いずれも湿熱時0°圧縮強度が1000MPa以上、衝撃後圧縮強度が260MPa以上、マイクロクラック数は10個未満と力学特性、耐久性も良好であった。その中でも、実施例2、3、5は湿熱時0°圧縮強度が1100MPa以上、衝撃後圧縮強度が270MPa以上、マイクロクラック数は5個以下であり、特に好ましい結果であった。
 (実施例6)
 表1-1に示すとおり、成分[A]として“アラルダイト(登録商標)”MY721を80質量部、成分[B]として“EPICLON(登録商標)”830を20質量部、成分[C]として“ロンザキュア(登録商標)”M-CDEAを52質量部、成分[D]として“ロンザキュア(登録商標)”M-DIPAを17質量部、成分[E]として“ロンザキュア(登録商標)”M-MIPAを15質量部加え、80℃で1時間撹拌してエポキシ樹脂組成物を調製した。上記の通りに、エポキシ樹脂組成物のゲル化温度を測定した結果、170℃であり、バインダーと樹脂の界面接着性が良好かつバインダー形状を保つため、繊維強化複合材料において十分な塑性変形が可能な層間厚みを均一に確保できる温度であった。次に、120℃240分保持後のエポキシ樹脂組成物の粘度を測定した結果、200mPa・sであり、強化繊維への含浸性も良好であった。また、前述の方法により樹脂硬化物を作製し、硬化物のTgを測定した結果、186℃であり、特に耐熱性も良好であった。さらに、このエポキシ樹脂組成物を用いて繊維強化複合材料を作製し、湿熱時0°圧縮強度、衝撃後圧縮強度、マイクロクラック数を測定した結果、湿熱時0°圧縮強度が1030MPa、衝撃後圧縮強度が260MPa、マイクロクラック数は6個以上10個未満と良好であった。
 (実施例7、8)
 各成分の含有量を表1-1、表1-2に示すように変更した以外は、実施例6と同様にエポキシ樹脂組成物を調製した。上記の通りに、エポキシ樹脂組成物のゲル化温度を測定した結果、いずれも175℃以上185℃以下であり、バインダーと樹脂の界面接着性が良好かつバインダー形状を保つため、繊維強化複合材料において十分な塑性変形が可能な層間厚みを均一に確保できる特に好ましい温度であった。次に、120℃240分保持後のエポキシ樹脂組成物の粘度を測定した結果、いずれも180mPa・s以下であり、特に強化繊維への含浸性も良好であった。また、前述の方法により樹脂硬化物を作製し、硬化物のTgを測定した結果、いずれも175℃以上であり、特に耐熱性も良好であった。さらに、このエポキシ樹脂組成物を用いて繊維強化複合材料を作製し、湿熱時0°圧縮強度、衝撃後圧縮強度、マイクロクラック数を測定した結果、いずれも湿熱時0°圧縮強度が1100MPa以上、衝撃後圧縮強度が270MPa以上、マイクロクラック数は5個以下と特に力学特性、耐久性も良好であった。
 (実施例9)
 成分[B]として、“アラルダイト(登録商標)”GY282を使用した以外は、実施例7と同様にエポキシ樹脂組成物を調製した。上記の通りに、エポキシ樹脂組成物のゲル化温度を測定した結果、175℃であり、バインダーと樹脂の界面接着性が良好かつバインダー形状を保つため、繊維強化複合材料において十分な塑性変形が可能な層間厚みを均一に確保できる特に好ましい温度であった。次に、120℃240分保持後のエポキシ樹脂組成物の粘度を測定した結果、170mPa・sであり、特に強化繊維への含浸性も良好であった。また、前述の方法により樹脂硬化物を作製し、硬化物のTgを測定した結果、184℃であり、耐熱性も良好であった。さらに、このエポキシ樹脂組成物を用いて繊維強化複合材料を作製し、湿熱時0°圧縮強度、衝撃後圧縮強度、マイクロクラック数を測定した結果、湿熱時0°圧縮強度が1150MPaと良好であり、衝撃後圧縮強度が270MPa、マイクロクラック数は5個以下と特に良好であった。
 (実施例10)
 成分[E]の代わりに、“ロンザキュア(登録商標)”M-DEAを使用した以外は、実施例7と同様にエポキシ樹脂組成物を調製した。上記の通りに、エポキシ樹脂組成物のゲル化温度を測定した結果、176℃であり、バインダーと樹脂の界面接着性が良好かつバインダー形状を保つため、繊維強化複合材料において十分な塑性変形が可能な層間厚みを均一に確保できる特に好ましい温度であった。次に、120℃240分保持後のエポキシ樹脂組成物の粘度を測定した結果、160mPa・sであり、特に強化繊維への含浸性も良好であった。また、前述の方法により樹脂硬化物を作製し、硬化物のTgを測定した結果、174℃であり、耐熱性も良好であった。さらに、このエポキシ樹脂組成物を用いて繊維強化複合材料を作製し、湿熱時0°圧縮強度、衝撃後圧縮強度、マイクロクラック数を測定した結果、湿熱時0°圧縮強度が1040MPaと良好であり、衝撃後圧縮強度が270MPa、マイクロクラック数は5個以下と特に良好であった。
 (実施例11~13)
 各成分の含有量とH/Eを表1-2に示すように変更した以外は、実施例2と同様にエポキシ樹脂組成物を調製した。上記の通りに、エポキシ樹脂組成物のゲル化温度を測定した結果、いずれも170℃以上185℃以下であり、バインダーと樹脂の界面接着性が良好かつバインダー形状を保つため、繊維強化複合材料において十分な塑性変形が可能な層間厚みを均一に確保できる温度であった。その中でも、実施例11、12は175℃以上185℃以下であり、特に好ましい結果であった。次に、120℃240分保持後のエポキシ樹脂組成物の粘度を測定した結果、いずれも200mPa・s以下であり、強化繊維への含浸性も良好であった。その中でも、実施例11、12は180mPa・s以下であり、特に好ましい結果であった。また、前述の方法により樹脂硬化物を作製し、硬化物のTgを測定した結果、いずれも170℃以上であり、耐熱性も良好であった。その中でも、実施例11、12は175℃以上であり、特に好ましい結果であった。さらに、このエポキシ樹脂組成物を用いて繊維強化複合材料を作製し、湿熱時0°圧縮強度、衝撃後圧縮強度、マイクロクラック数を測定した結果、いずれも湿熱時0°圧縮強度が1000MPa以上、衝撃後圧縮強度が260MPa以上、マイクロクラック数は10個未満と力学特性、耐久性も良好であった。その中でも、実施例11はマイクロクラック数が5個以下であり、実施例12は湿熱時0°圧縮強度が1100MPa以上、衝撃後圧縮強度が270MPa以上、マイクロクラック数は5個以下であり、特に好ましい結果であった。
 (実施例14~16)
 各成分の含有量及びH/Eを表1-2、表1-3に示すように変更した以外は、実施例7と同様にエポキシ樹脂組成物を調製した。上記の通りに、エポキシ樹脂組成物のゲル化温度を測定した結果、いずれも170℃以上185℃以下であり、バインダーと樹脂の界面接着性が良好かつバインダー形状を保つため、繊維強化複合材料において十分な塑性変形が可能な層間厚みを均一に確保できる温度であった。その中でも、実施例14、15は175℃以上185℃以下であり、特に好ましい結果であった。次に、120℃240分保持後のエポキシ樹脂組成物の粘度を測定した結果、いずれも200mPa・s以下であり、強化繊維への含浸性も良好であった。その中でも、実施例14、15は180mPa・s以下であり、特に好ましい結果であった。また、前述の方法により樹脂硬化物を作製し、硬化物のTgを測定した結果、いずれも170℃以上であり、耐熱性も良好であった。その中でも、実施例14、15は175℃以上であり、特に好ましい結果であった。さらに、このエポキシ樹脂組成物を用いて繊維強化複合材料を作製し、湿熱時0°圧縮強度、衝撃後圧縮強度、マイクロクラック数を測定した結果、いずれも湿熱時0°圧縮強度が1000MPa以上、衝撃後圧縮強度が260MPa以上、マイクロクラック数は10個未満と力学特性、耐久性も良好であった。その中でも、実施例14はマイクロクラック数が5個以下であり、実施例15は湿熱時0°圧縮強度が1140MPa、衝撃後圧縮強度が275MPa、マイクロクラック数は5個以下であり、特に好ましい結果であった。
 (実施例17)
 表1-3に示すとおり、成分[A]として“アラルダイト(登録商標)”MY721を65質量部、成分[B]として“EPICLON(登録商標)”830を20質量部、成分[C]として“ロンザキュア(登録商標)”M-CDEAを61質量部、成分[D]として“ロンザキュア(登録商標)”M-DIPAを26質量部、成分[F]として“カネエース(登録商標)”MX-416を20質量部加え、80℃で1時間撹拌してエポキシ樹脂組成物を調製した。上記の通りに、エポキシ樹脂組成物のゲル化温度を測定した結果、177℃であり、バインダーと樹脂の界面接着性が良好かつバインダー形状を保つため、繊維強化複合材料において十分な塑性変形が可能な層間厚みを均一に確保できる特に好ましい温度であった。次に、120℃240分保持後のエポキシ樹脂組成物の粘度を測定した結果、170mPa・sであり、特に強化繊維への含浸性も良好であった。また、前述の方法により樹脂硬化物を作製し、硬化物のTgを測定した結果、182℃であり、特に耐熱性も良好であった。さらに、このエポキシ樹脂組成物を用いて繊維強化複合材料を作製し、湿熱時0°圧縮強度、衝撃後圧縮強度、マイクロクラック数を測定した結果、湿熱時0°圧縮強度が1100MPa、衝撃後圧縮強度が280MPa、マイクロクラック数は5個以下と特に力学特性、耐久性も良好であった。
 (実施例18、19)
 各成分の含有量とコアシェルゴム粒子種を表1-3に示すように変更したこと以外は、実施例17と同様にエポキシ樹脂組成物を調製した。上記の通りに、エポキシ樹脂組成物のゲル化温度を測定した結果、いずれも175℃以上185℃以下であり、バインダーと樹脂の界面接着性が良好かつバインダー形状を保つため、繊維強化複合材料において十分な塑性変形が可能な層間厚みを均一に確保できる特に好ましい温度であった。次に、120℃240分保持後のエポキシ樹脂組成物の粘度を測定した結果、いずれも200mPa・s以下であり、強化繊維への含浸性も良好であった。その中でも、実施例19は170mPa・sであり、特に好ましい結果であった。また、前述の方法により樹脂硬化物を作製し、硬化物のTgを測定した結果、いずれも175℃以上であり、特に耐熱性も良好であった。さらに、このエポキシ樹脂組成物を用いて繊維強化複合材料を作製し、湿熱時0°圧縮強度、衝撃後圧縮強度、マイクロクラック数を測定した結果、いずれも湿熱時0°圧縮強度が1000MPa以上、衝撃後圧縮強度が260MPa以上と力学特性も良好で、マイクロクラック数は5個以下と特に耐久性も良好であった。その中でも、実施例18は衝撃後圧縮強度が280MPaであり、特に好ましい結果であった。
 (実施例20)
 表1-3に示すとおり、成分[A]として“アラルダイト(登録商標)”MY721を65質量部、成分[B]として“EPICLON(登録商標)”830を20質量部、成分[C]として“ロンザキュア(登録商標)”M-CDEAを78質量部、成分[D]として“ロンザキュア(登録商標)”M-DIPAを5質量部、成分[E]として“ロンザキュア(登録商標)”M-MIPAを4質量部、成分[F]として“カネエース(登録商標)”MX-416を20質量部加え、80℃で1時間撹拌してエポキシ樹脂組成物を調製した。上記の通りに、エポキシ樹脂組成物のゲル化温度を測定した結果、184℃であり、バインダーと樹脂の界面接着性が良好かつバインダー形状を保つため、繊維強化複合材料において十分な塑性変形が可能な層間厚みを均一に確保できる特に好ましい温度であった。次に、120℃240分保持後のエポキシ樹脂組成物の粘度を測定した結果、120mPa・sであり、特に強化繊維への含浸性も良好であった。また、前述の方法により樹脂硬化物を作製し、硬化物のTgを測定した結果、180℃であり、特に耐熱性も良好であった。さらに、このエポキシ樹脂組成物を用いて繊維強化複合材料を作製し、湿熱時0°圧縮強度、衝撃後圧縮強度、マイクロクラック数を測定した結果、湿熱時0°圧縮強度が1120MPa、衝撃後圧縮強度が280MPa、マイクロクラック数は5個以下と特に力学特性、耐久性も良好であった。
 (実施例21、22)
 各成分の含有量とコアシェルゴム粒子種を表1-4に示すように変更したこと以外は、実施例20と同様にエポキシ樹脂組成物を調製した。上記の通りに、エポキシ樹脂組成物のゲル化温度を測定した結果、いずれも175℃以上185℃以下であり、バインダーと樹脂の界面接着性が良好かつバインダー形状を保つため、繊維強化複合材料において十分な塑性変形が可能な層間厚みを均一に確保できる特に好ましい温度であった。次に、120℃240分保持後のエポキシ樹脂組成物の粘度を測定した結果、いずれも180mPa・s以下であり、特に強化繊維への含浸性も良好であった。また、前述の方法により樹脂硬化物を作製し、硬化物のTgを測定した結果、いずれも175℃以上であり、特に耐熱性も良好であった。さらに、このエポキシ樹脂組成物を用いて繊維強化複合材料を作製し、湿熱時0°圧縮強度、衝撃後圧縮強度、マイクロクラック数を測定した結果、いずれも湿熱時0°圧縮強度が1000MPa以上、衝撃後圧縮強度が260MPa以上と力学特性も良好で、マイクロクラック数は5個以下と特に耐久性も良好であった。その中でも、実施例21は湿熱時0°圧縮強度が1140MPa、衝撃後圧縮強度が275MPaであり、特に好ましい結果であった。
 (実施例23~26)
 バインダー種を変更した以外は、実施例2と同様にエポキシ樹脂組成物を調製した。上記の通りに、エポキシ樹脂組成物のゲル化温度を測定した結果、いずれも175℃以上185℃以下であり、バインダーの融点が165℃以上180℃以下である際にバインダーと樹脂の界面接着性が良好かつバインダー形状を保つため、繊維強化複合材料において十分な塑性変形が可能な層間厚みを均一に確保できる特に好ましい温度であった。次に、120℃240分保持後のエポキシ樹脂組成物の粘度を測定した結果、いずれも180mPa・s以下であり、特に強化繊維への含浸性も良好であった。また、前述の方法により樹脂硬化物を作製し、硬化物のTgを測定した結果、いずれも175℃以上であり、特に耐熱性も良好であった。さらに、このエポキシ樹脂組成物を用いて繊維強化複合材料を作製し、湿熱時0°圧縮強度、衝撃後圧縮強度、マイクロクラック数を測定した結果、いずれも湿熱時0°圧縮強度が1000MPa以上、衝撃後圧縮強度が260MPa以上、マイクロクラック数は10個未満と力学特性、耐久性も良好であった。その中でも、実施例21はマイクロクラック数が5個以下、実施例25は湿熱時0°圧縮強度が1100MPa、マイクロクラック数が5個以下、実施例26はマイクロクラック数が5個以下と特に好ましい結果であった。
 (比較例1、2)
 各成分の含有量を表2-1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た。上記の通りに、エポキシ樹脂組成物のゲル化温度を測定した結果、いずれも175℃以上185℃以下であり、バインダーと樹脂の界面接着性が良好かつバインダー形状を保つため、繊維強化複合材料において十分な塑性変形が可能な層間厚みを均一に確保できる特に好ましい温度であった。次に、120℃240分保持後のエポキシ樹脂組成物の粘度を測定した結果、比較例1は100mPa・sと特に強化繊維への含浸性も良好であったが、比較例2は210mPa・sと、200mPa・sを超えており、強化繊維への含浸性が劣った。また、前述の方法により樹脂硬化物を作製し、硬化物のTgを測定した結果、比較例1は168℃と、170℃よりも低く、耐熱性に劣ったが、比較例2は196℃と特に耐熱性が良好であった。さらに、このエポキシ樹脂組成物を用いて繊維強化複合材料を作製し、湿熱時0°圧縮強度、衝撃後圧縮強度、マイクロクラック数を測定した。湿熱時0°圧縮強度について、比較例1は990MPaと、1000MPaよりも低く、湿熱時0°圧縮強度が劣ったが、比較例2は1270MPaと特に好ましい結果であった。次に、衝撃後圧縮強度について比較例1は285MPaと特に好ましい結果であったが、比較例2は245MPaと、260MPaよりも低く、耐衝撃性が劣った。さらに、マイクロクラック数について比較例1、2ともに5個以下と特に耐久性は良好であった。
 (比較例3)
 成分[B]の代わりに、“EPICLON(登録商標)”850を使用したことと各成分の含有割合を変更したこと以外は、実施例2と同様にエポキシ樹脂組成物を調製した。上記の通りに、エポキシ樹脂組成物のゲル化温度を測定した結果、177℃であり、バインダーと樹脂の界面接着性が良好かつバインダー形状を保つため、繊維強化複合材料において十分な塑性変形が可能な層間厚みを均一に確保できる特に好ましい温度であった。次に、120℃240分保持後のエポキシ樹脂組成物の粘度を測定した結果、180mPa・sと特に強化繊維への含浸性も良好であった。また、前述の方法により樹脂硬化物を作製し、硬化物のTgを測定した結果、187℃と特に耐熱性が良好であった。さらに、このエポキシ樹脂組成物を用いて繊維強化複合材料を作製し、湿熱時0°圧縮強度、衝撃後圧縮強度、マイクロクラック数を測定した結果、湿熱時0°圧縮強度が980MPaと、1000MPaよりも低く、湿熱時0°圧縮強度が劣ったが、衝撃後圧縮強度は275MPaと特に耐衝撃性が良好であり、マイクロクラック数は5個以下と特に耐久性も良好であった。
 (比較例4)
 硬化剤として成分[C]のみを使用したことと各成分の含有割合を変更したこと以外は、実施例2と同様にエポキシ樹脂組成物を調製した。上記の通りに、エポキシ樹脂組成物のゲル化温度を測定した結果、195℃であり、バインダーが樹脂に溶融し過ぎ、バインダー形状を保てないため、繊維強化複合材料において十分な塑性変形が可能な層間厚みを均一に確保できない温度であった。次に、120℃240分保持後のエポキシ樹脂組成物の粘度を測定した結果、90mPa・sと特に強化繊維への含浸性も良好であった。また、前述の方法により樹脂硬化物を作製し、硬化物のTgを測定した結果、178℃と特に耐熱性が良好であった。さらに、このエポキシ樹脂組成物を用いて繊維強化複合材料を作製し、湿熱時0°圧縮強度、衝撃後圧縮強度、マイクロクラック数を測定した結果、湿熱時0°圧縮強度が1100MPaと特に良好な結果であり、衝撃後圧縮強度は255MPaと、260MPaよりも低く、耐衝撃性が劣り、マイクロクラック数は5個以下と特に耐久性が良好であった。
 (比較例5~8)
 硬化剤として成分[D]または成分[E]または成分[C]・成分[D]・成分[E]以外の硬化剤一種のみを使用したことと各成分の含有割合を変更したこと以外は、比較例4と同様にエポキシ樹脂組成物を調製した。上記の通りに、エポキシ樹脂組成物のゲル化温度を測定した結果、いずれも170℃より低く、エポキシ樹脂組成物のゲル化温度より高い温度で強化繊維基材を連結するバインダーが融解しだすため、界面接着強度が低下する温度であった。次に、120℃240分保持後のエポキシ樹脂組成物の粘度を測定した結果、いずれも1000mPa・sより大きく、200mPa・sを超えており、強化繊維への含浸性が劣った。また、前述の方法により樹脂硬化物を作製し、硬化物のTgを測定した結果、170℃以上であり、耐熱性は良好であった。その中でも、比較例5、6、7は175℃以上であり、特に好ましい結果であった。さらに、このエポキシ樹脂組成物を用いて繊維強化複合材料を作製し、湿熱時0°圧縮強度、衝撃後圧縮強度、マイクロクラック数を測定した結果、いずれも湿熱時0°圧縮強度が1000MPaよりも低く、衝撃後圧縮強度が260MPaよりも低く、マイクロクラック数は10個以上と力学特性、耐久性が不良であった。
 (比較例9~11)
 硬化剤として成分[D]の代わりに、成分[E]または成分[C]・成分[D]・成分[E]以外の硬化剤一種を使用したことと各成分の含有割合を変更したこと以外は、実施例2と同様にエポキシ樹脂組成物を調製した。上記の通りに、エポキシ樹脂組成物のゲル化温度を測定した結果、いずれも170℃より低く、エポキシ樹脂組成物のゲル化温度より高い温度で強化繊維基材を連結するバインダーが融解しだすため、界面接着強度が低下する温度であった。次に、120℃240分保持後のエポキシ樹脂組成物の粘度を測定した結果、いずれも200mPa・sを超えており、強化繊維への含浸性が劣った。また、前述の方法により樹脂硬化物を作製し、硬化物のTgを測定した結果、175℃以上であり、耐熱性は特に良好であった。さらに、このエポキシ樹脂組成物を用いて繊維強化複合材料を作製し、湿熱時0°圧縮強度、衝撃後圧縮強度、マイクロクラック数を測定した結果、いずれも湿熱時0°圧縮強度が1000MPaよりも低く、衝撃後圧縮強度が260MPaよりも低く、マイクロクラック数は10個以上と力学特性、耐久性が不良であった。
 (比較例12、13)
 硬化剤として成分[D]の代わりに、成分[C]・成分[D]・成分[E]以外の硬化剤一種を使用したことと各成分の含有割合を変更したこと以外は、実施例7と同様にエポキシ樹脂組成物を調製した。上記の通りに、エポキシ樹脂組成物のゲル化温度を測定した結果、いずれも170℃より低く、エポキシ樹脂組成物のゲル化温度より高い温度で強化繊維基材を連結するバインダーが融解しだすため、界面接着強度が低下する温度であった。次に、120℃240分保持後のエポキシ樹脂組成物の粘度を測定した結果、いずれも200mPa・sを超えており、強化繊維への含浸性が劣った。また、前述の方法により樹脂硬化物を作製し、硬化物のTgを測定した結果、175℃以上であり、耐熱性は特に良好であった。さらに、このエポキシ樹脂組成物を用いて繊維強化複合材料を作製し、湿熱時0°圧縮強度、衝撃後圧縮強度、マイクロクラック数を測定した結果、いずれも湿熱時0°圧縮強度が1000MPaよりも低く、衝撃後圧縮強度が260MPaよりも低く、マイクロクラック数は10個以上と力学特性、耐久性が不良であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
 本発明の繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物は、強化繊維基材への樹脂注入中の樹脂粘度が長時間低粘度を保つため、プロセス性が良好で、さらに、加熱硬化時の昇温速度が遅い場合がある航空機主翼等の巨大な構造材においても高いレベルの物性(耐熱性、高圧縮強度、耐衝撃性、耐久性)を繊維強化複合材料に付与出来る。これにより、特に航空機用途への繊維強化複合材料の適用が進み、更なる軽量化による燃費向上、地球温暖化ガス排出削減への貢献が期待できる。

Claims (11)

  1. [A]テトラグリシジルジアミノジフェニルメタンを、全エポキシ樹脂成分100質量%中に70質量%以上90質量%以下含み、かつ[B]ビスフェノールF型エポキシ樹脂を、全エポキシ樹脂成分100質量%中に10質量%以上30質量%以下含み、かつ[C]4,4’-メチレンビス(3-クロロ-2,6-ジエチルアニリン)及び[D]4,4’-メチレンビス(3,3’,5,5’-テトライソプロピルアニリン)を含む繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物。
  2. さらに[E]4,4’-メチレンビス(2-イソプロピル-6-メチルアニリン)を含む請求項1に記載の繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物。
  3. さらに[F]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請求項1または2に記載の繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物。
  4. E型粘度計による等温測定より得られる、120℃一定で240分後の樹脂粘度η(mPa・s)が20≦η≦200を満たす請求項1から3のいずれかに記載の繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物。
  5. 70℃から昇温速度0.5℃/分で加熱した際のゲル化温度が170℃以上185℃以下の範囲内にある、請求項1から4のいずれかに記載の繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物。
  6. 請求項1から5のいずれかに記載の繊維強化複合材料用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。
  7. 前記強化繊維基材が不織布形態のバインダーで連結されたプリフォームである、請求項6に記載の繊維強化複合材料。
  8. 前記不織布形態のバインダーが、融点165℃以上180℃以下のポリアミドからなる請求項7に記載の繊維強化複合材料。
  9. 繊維強化基材の表面に付着した前記不織布形態のバインダーの付着量が、片面当たり0.5g/m以上10g/m以下である請求項7または8に記載の繊維強化複合材料。
  10. 前記繊維強化基材を構成する強化繊維が炭素繊維である、請求項6から9のいずれかに記載の繊維強化複合材料。
  11. 50℃以上130℃以下に加熱した請求項1から5のいずれかに記載の繊維強化複合材料用エポキシ樹脂組成物を、90℃以上180℃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、該成形型内で硬化する繊維強化複合材料の製造方法。
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