ES2970668T3 - Composición de resina epoxídica para material compuesto reforzado con fibra, prepreg y material compuesto reforzado con fibra - Google Patents

Composición de resina epoxídica para material compuesto reforzado con fibra, prepreg y material compuesto reforzado con fibra Download PDF

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Abstract

En la presente invención, con el fin de proporcionar una composición de resina epoxi para un material compuesto reforzado con fibras que presente excelente resistencia al calor, tenacidad y trabajabilidad, se necesitan de 8 a 15 partes en masa de (C) una resina termoplástica, de 2 a 10 partes en masa de (D) partículas finas de elastómero que tienen un diámetro de partícula promedio de 1000 nm o menos, y 0,5-2,5 partes en masa de (E) partículas finas de sílice que tienen un diámetro de partícula promedio de 1000 nm o menos se mezclan con 100 partes en masa de un componente de resina epoxi constituido por: 60-85 partes en masa de (A) una resina de N,N,N',N'-tetraglicidil diaminodifenilmetano que tiene una viscosidad a 50°C de 6000 mPa·s o menos; y 15-40 partes en masa de (B) una resina epoxídica líquida de tipo bisfenol A que tiene una viscosidad a 25°C de 20.000 mPa·s o menos. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Composición de resina epoxídica para material compuesto reforzado con fibra, prepreg y material compuesto reforzado con fibra
Campo técnico
La presente invención se refiere a una composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra, un prepreg y un material compuesto reforzado con fibra.
Técnica anterior
En la técnica relacionada, las resinas epoxídicas han sido la tendencia dominante de las resinas de matriz para materiales compuestos reforzados con fibra de carbono y fibra de vidrio aplicados a aeronaves, por ejemplo, y se han usado en muchas estructuras de fuselaje. Por ejemplo, el Documento de patente 1 describe una composición de resina que contiene, como componentes esenciales, [A] 100 partes en masa de una resina epoxídica, [B] de 5 a 80 partes en masa de una resina termoplástica, [C] de 20 a 50 partes en masa de diaminodifenilsulfona, y [D] de 0,01 a 30 partes en masa de micropartículas inorgánicas que tienen un diámetro de partícula promedio de 1 a 1000 nm. El Documento de patente 2 describe una composición de resina para un material compuesto reforzado con fibra que contiene [A] una resina epoxídica, [B] un agente de curado y [C] un aditivo, [C] que contiene una sustancia inorgánica formada a partir de partículas primarias que tienen un diámetro promedio de 40 nm o menos, teniendo la composición de resina para un material compuesto reforzado con fibra un módulo de corte de almacenamiento particular. El Documento de patente 3 describe una composición de resina termoendurecible que comprende [A] una resina epoxídica, [B] una resina termoplástica, [C] partículas finas de elastómero y [D] partículas finas de sílice como componentes esenciales, e incluye de 5 a 40 partes en masa del componente [B] y de 12 a 40 partes en masa del componente [C] basándose en 100 partes en masa del componente [A]. El Documento de patente 4 describe composiciones de resina termoendurecible obtenidas dispersando [B] en [A], disolviendo también [C] en [A] o dispersando [B'] en [A], en donde, [A] es una resina termoendurecible, [B] son partículas inorgánicas que tienen un diámetro de partícula de <0,5 pm, y [C] son partículas inorgánicas que tienen un diámetro de partícula de <0,5 pm y que tienen un grupo funcional capaz de reaccionar con [A] en un agente de acoplamiento [B'] que tiene un grupo funcional capaz de reaccionar con [A]. El Documento de patente 5 describe un prepreg que incluye una fibra de carbono [A], una resina termoendurecible [B], una partícula conductora [C] y al menos uno de los siguientes (1) y (2), donde el producto curado se obtiene curando una composición de resina termoendurecible que comprende la resina termoendurecible [B], la partícula conductora [C] y una partícula de caucho [D], o una composición de resina termoendurecible que comprende la resina termoendurecible [B], la partícula conductora [C], una partícula de caucho [D] y una partícula de resina termoplástica [E] a 180 °C durante dos horas, tiene un K de 0,8-2,0 MPa m; y donde cualquiera de la partícula conductora [C], la partícula de caucho [D] y la partícula de resina termoplástica [E], para el 90-100 % en masa de las mismas, se distribuye en un rango desde ambas superficies principales respectivas del prepreg hasta el 20 % de profundidad del grosor del prepreg en la dirección del grosor del prepreg. (1) El prepreg incluye además la partícula de caucho [D]. (2) El prepreg incluye además la partícula de caucho [D] y la partícula de resina termoplástica [E].
Sin embargo, las composiciones de resina epoxídica para materiales compuestos reforzados con fibra en la técnica relacionada descrita anteriormente tienen el problema de que no se pueden lograr simultáneamente ni resistencia al calor ni tenacidad, y el problema de que no se puede satisfacer una durabilidad deseada como componente a usar en condiciones duras, tales como las de las aeronaves. Cabe apreciar que, en general, se sabe que el uso de una resina que imparte una alta resistencia al calor da como resultado una disminución de la tenacidad y, por lo tanto, estas propiedades son antinómicas.
Mientras tanto, para la composición de resina durante la formación del prepreg, existen características de viscosidad, cada una de ellas adecuada durante la impregnación y adecuada durante el curado. Por ejemplo, se requiere exhibir una viabilidad excelente (capacidad de impregnación) permitiendo que la viscosidad disminuya en condiciones de baja temperatura (temperatura y tiempo en la medida que no degrade la historia térmica de la resina) durante la impregnación, y exhibir una fluidez de la resina mediante la cual la resina no fluya excesivamente desde las fibras de refuerzo durante el curado y la resina fluya en la medida en que se llena el espacio durante la laminación. Sin embargo, las composiciones de resina epoxídica para materiales compuestos reforzados con fibra en la técnica relacionada no han sido capaces de satisfacer adecuadamente estas características de viscosidad.
Listado de citas
Documento de patente
Documento de patente 1: JP 2009-242459 A
Documento de patente 2: JP 3648743 B
Documento de patente 3: JP 2011-190430 A
Documento de patente 4: JP 2012-149237 A
Documento de patente 5: JP 2013-155330 A
Resumen de la invención
Problema técnico
Por lo tanto, un objeto de la presente invención es proporcionar una composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra que tenga una excelente resistencia al calor y tenacidad, exhiba una excelente viabilidad permitiendo que la viscosidad disminuya en condiciones de baja temperatura (temperatura y tiempo en la medida que no degrade la historia térmica de la resina) durante la impregnación, y exhiba una fluidez de la resina mediante la cual la resina no fluya excesivamente desde las fibras de refuerzo durante el curado y la resina fluya en la medida en que se llena el espacio durante la laminación. Además, otro objeto de la presente invención es proporcionar un prepreg que tenga una excelente resistencia al calor y tenacidad, así como una excelente viabilidad a temperatura ambiente.
Además, otro objeto más de la presente invención es proporcionar un material compuesto reforzado con fibra que tenga excelente resistencia al calor y tenacidad y que pueda aplicarse a diversas aplicaciones.
Solución al problema
Como resultado de una investigación diligente, los presentes inventores encontraron que el problema descrito anteriormente se puede resolver empleando dos tipos de componentes de resina epoxídica con propiedades físicas particulares y mezclando cantidades particulares de una resina termoplástica, y micropartículas de elastómero y micropartículas de sílice con diámetros de partícula particulares, y así completaron la presente invención.
La presente invención se describe a continuación.
1. Una composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra que contiene:
por 100 partes en masa de un componente de resina epoxídica que contiene de 60 a 85 partes en masa de resina de N,N,N',N'-tetraglicidildiaminodifenilmetano (A) que tiene una viscosidad a 50 °C de 6000 mPas o menos y de 15 a 40 partes en masa de una resina epoxídica de bisfenol A líquida (B) que tiene una viscosidad a 25 °C de 20000 mPas o menos, en donde la viscosidad a 50 °C se mide usando un viscosímetro rotacional a menos de 50 °C y la viscosidad a 25 °C se mide usando un viscosímetro rotacional a menos de 25 °C,
de 8 a 15 partes en masa de una resina termoplástica (C),
de 2 a 10 partes en masa de micropartículas de elastómero (D) que tienen un diámetro de partícula promedio de 1000 nm o menos, y
de 0,5 a 2,5 partes en masa de micropartículas de sílice (E) que tienen un diámetro de partícula promedio de 1000 nm 0 menos, en donde el diámetro de partícula promedio significa el valor promedio del diámetro del círculo equivalente medido usando un microscopio electrónico o un microscopio láser.
2. La composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra según el punto 1 anterior, donde una viscosidad a 70 °C es 200 Pas o menos, y una viscosidad mínima en un proceso de curado es 1 Pas o más, en donde la viscosidad a 70 °C se mide usando un viscosímetro rotacional a menos de 70 °C y la viscosidad mínima se mide usando un viscosímetro rotacional.
3. La composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra según el punto 1 anterior, donde la resina termoplástica (C) es polietersulfona.
4. La composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra según el punto 1 anterior, donde la composición de resina epoxídica se forma disolviendo la resina termoplástica (C) en el componente (A) y/o el componente (B).
5. La composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra según el punto 1 anterior, donde las micropartículas de elastómero (D) son micropartículas de núcleo-cubierta.
6. La composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra según el punto 1 anterior, que contiene además un agente de curado (F), donde el agente de curado (F) es diaminodifenilsulfona.
7. La composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra según el punto 1 anterior, donde la viscosidad a 50 °C de la resina de N,N,N',N'-tetraglicidildiaminodifenilmetano (A) es de 3000 a 6000 mPas, en donde la viscosidad a 50 °C se mide usando un viscosímetro rotacional a menos de 50 °C.
8. La composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra según el punto 1 anterior, donde la viscosidad a 25 °C de la resina epoxídica de bisfenol A líquida (B) es de 18000 mPa s o menos, en donde la viscosidad a 25 °C se mide usando un viscosímetro rotacional a menos de 25 °C.
9. La composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra según el punto 1 anterior, donde el diámetro de partícula promedio de las micropartículas de elastómero (D) es de 500 nm o menos, en donde el diámetro de partícula promedio significa el valor promedio del diámetro del círculo equivalente medido usando un microscopio electrónico o un microscopio láser.
10. La composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra según el punto 1 anterior, donde el diámetro de partícula promedio de las micropartículas de sílice (E) es de 5 a 100 nm, en donde el diámetro de partícula promedio significa el valor promedio del diámetro del círculo equivalente medido usando un microscopio electrónico o un microscopio láser.
11. Un prepreg formado usando la composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra según el punto 1 anterior como matriz e impregnando fibras de refuerzo con la composición de resina epoxídica.
12. Un material compuesto reforzado con fibra, siendo el material compuesto reforzado con fibra un producto termoendurecible del prepreg según el punto 11 anterior.
Efectos ventajosos de la invención
La composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra según una realización de la presente invención contiene resina de N,N,N',N'-tetraglicidildiaminodifenilmetano (A) que tiene una viscosidad a 50 °C de 6000 mPas o menos, una resina epoxídica de bisfenol A líquida (B) que tiene una viscosidad a 25 °C de 20000 mPas o menos, una resina termoplástica (C), micropartículas de elastómero (D) que tienen un diámetro de partícula promedio de 1000 nm o menos, y micropartículas de sílice (E) que tienen un diámetro de partícula promedio de 1000 nm o menos, mezcladas en intervalos particulares. Por lo tanto, se puede proporcionar la composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra en la que se pueden mejorar la resistencia al calor y la tenacidad, que se han considerado antinómicas en la técnica relacionada, y que tiene una excelente viabilidad permitiendo que la viscosidad disminuya en condiciones de baja temperatura (temperatura y tiempo en la medida que no degrade la historia térmica de la resina) durante la impregnación, y exhibe una fluidez de la resina mediante la cual la resina no fluye excesivamente desde las fibras de refuerzo durante el curado y la resina fluye en la medida en que se llena el espacio durante la laminación.
Además, el prepreg según una realización de la presente invención se forma usando la composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra descrito anteriormente como matriz e impregnando fibras de refuerzo con la composición de resina epoxídica y, por lo tanto, logra una excelente resistencia al calor y tenacidad, así como una excelente viabilidad a temperatura ambiente.
Además, el material compuesto reforzado con fibra según una realización de la presente invención es un producto termoendurecible del prepreg descrito anteriormente y, por lo tanto, logra una excelente resistencia al calor y tenacidad y se puede emplear en diversas aplicaciones.
Descripción de las realizaciones
La presente invención se describirá con mayor detalle a continuación. La composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra según una realización de la presente invención contiene una resina de N,N,N',N'-tetraglicidildiaminodifenilmetano (A), una resina epoxídica de bisfenol A líquida (B), una resina termoplástica (C), micropartículas de elastómero (D) y micropartículas de sílice (E). Cada componente se describe en detalle a continuación.
Resina de N,N,N',N'-tetraglicidildiaminodifenilmetano (A)
La resina de N,N,N',N'-tetraglicidildiaminodifenilmetano (A) usada en una realización de la presente invención (en lo sucesivo en la presente memoria, también denominada componente (A)) necesita tener una viscosidad a 50 °C de 6000 mPas o menos. Cuando la viscosidad a 50 °C del componente (A) es superior a 6000 mPas, las características de resistencia al calor, tenacidad y viscosidad no pueden satisfacerse al mismo tiempo. La viscosidad a 50 °C del componente (A) es preferiblemente de 3000 a 6000 mPas. Cabe apreciar que la viscosidad según una realización de la presente invención es un valor medido usando un viscosímetro rotacional, tal como un viscosímetro tipo E, en una condición de temperatura predeterminada.
El componente (A) se puede seleccionar apropiadamente entre productos disponibles comercialmente que tienen el intervalo de viscosidad descrito anteriormente. Los ejemplos de los mismos incluyen YH-404 (viscosidad a 50 °C = 3600 a 5000 mPas) disponible en NIPPON STEEL Chemical & Material Co., Ltd., My -721 (viscosidad a 50 °C = 3000 a 6000 mPas) disponible en Huntsman International LLC, y el nombre comercial “ SKE-3” (viscosidad a 50 °C = 3500 a 5500 mPas) disponible en Changzhou Sunchem High Performance Polymer Co., Ltd.
Resina epoxídica de bisfenol A líquida (B)
La epoxídica de bisfenol A líquida (B) usada en una realización de la presente invención (en lo sucesivo en la presente memoria, también denominada componente (B)) necesita tener una viscosidad a 25 °C de 20000 mPa s o menos. Cuando la viscosidad a 25 °C del componente (B) es superior a 20000 mPas, las características de resistencia al calor, tenacidad y viscosidad no pueden satisfacerse al mismo tiempo. La viscosidad a 25 °C del componente (B) es preferiblemente de 18000 mPa.s o menos, y más preferiblemente de 16000 mPa.s o menos.
El componente (B) se puede seleccionar apropiadamente entre productos disponibles comercialmente que tienen el intervalo de viscosidad descrito anteriormente. Los ejemplos de los mismos incluyen YD-128 (viscosidad a 25 °C = 11000 a 15000 mPas) disponible en NIPPON STEEL Chemical & Material Co., Ltd., el nombre comercial “ YD-127” (viscosidad a 25 °C = 8000 a 15000 mPas) disponible en NIPPON STEEL Chemical & Material Co., Ltd., y el nombre comercial “ jER 828” (viscosidad a 25 °C = 12000 a 15000 mPa s) disponible en Mitsubishi Chemical Corporation.
Resina termoplástica (C)
Los ejemplos de la resina termoplástica (C) usada en una realización de la presente invención (en lo sucesivo en la presente memoria, también denominada el componente (C)) incluyen polietersulfona (PES), poliimida, polieterimida (PEI), poliamidaimida, polisulfona, policarbonato, poliéter éter cetona, poliamidas, tales como nailon 6, nailon 12 y resinas amorfas de nailon, aramida, arilato, poliéster carbonato y fenoxi. Entre estas, desde la perspectiva de mejorar aún más la resistencia al calor, la tenacidad y las características de viscosidad descritas anteriormente, se prefiere la polietersulfona (PES).
Micropartículas de elastómero (D)
Las micropartículas de elastómero (D) usadas en una realización de la presente invención (en lo sucesivo en la presente memoria, también denominadas el componente (D)) deben tener un diámetro de partícula promedio de 1000 nm o menos. Cuando el diámetro de partícula promedio del componente (D) es superior a 1000 nm, las características de resistencia al calor, tenacidad y viscosidad no pueden satisfacerse al mismo tiempo. El diámetro medio de partícula del componente (D) es preferiblemente de 500 nm o menos, y más preferiblemente de 300 nm o menos. Cabe apreciar que el diámetro de partícula promedio en una realización de la presente invención significa el valor promedio del diámetro del círculo equivalente medido usando un microscopio electrónico o un microscopio láser. Por ejemplo, el diámetro de partícula promedio se puede medir mediante el analizador de distribución del tamaño de partícula de dispersión y difracción láser LA-300 (disponible en Horiba, Ltd.) o el microscopio láser VK-8710 (disponible en Keyence Corporation).
El componente (D) son preferiblemente micropartículas de núcleo-cubierta conocidas y, por ejemplo, pueden ser partículas en las que una superficie del componente de núcleo particulado que contiene un polímero de caucho reticulado como componente principal se somete a polimerización por injerto con un polímero de componente de cubierta que es diferente del componente de núcleo.
Los ejemplos del componente de núcleo incluyen caucho de butadieno, caucho acrílico, caucho de silicona, caucho de butilo, NBR, SBR, IR y EPR.
Los ejemplos del componente de cubierta incluyen polímeros obtenidos polimerizando monómeros seleccionados entre monómeros a base de éster de ácido acrílico, monómeros a base de éster de ácido metacrílico y/o monómeros vinílicos aromáticos. El componente (D) se puede seleccionar apropiadamente entre productos disponibles comercialmente que tienen el diámetro de partícula promedio descrito anteriormente.
Los ejemplos de los mismos incluyen MX-154 (mezcla madre de partículas de caucho de resina epoxídica/núcleocubierta; que contiene el 40 % en masa de partículas de caucho núcleo-cubierta a base de butadieno; diámetro de partícula promedio = 100 a 200 nm) disponible en Kaneka Corporation, y el nombre comercial “ MX-125” (mezcla madre de partículas de caucho de resina epoxídica/núcleo-cubierta); que contiene el 25 % en masa de partículas de caucho núcleo-cubierta a base de SBR; diámetro de partícula promedio = 100 a 200 nm) disponible en Kaneka Corporation.
Micropartículas de sílice (E)
Las micropartículas de sílice (E) usadas en una realización de la presente invención (en lo sucesivo en la presente memoria, también denominadas el componente (E)) deben tener un diámetro de partícula promedio de 1000 nm o menos. Cuando el diámetro de partícula promedio del componente (E) es superior a 1000 nm, las características de resistencia al calor, tenacidad y viscosidad no pueden satisfacerse al mismo tiempo.
El diámetro medio de partícula del componente (E) es preferiblemente de 5 a 100 nm, y más preferiblemente de 50 nm o menos.
Las micropartículas de sílice son preferiblemente micropartículas de sílice hidrófilas, y ejemplos de las mismas incluyen sílice sintética amorfa, tal como sílice precipitada, sílice tipo gel, sílice pirógena y sílice fundida; sílice sintética cristalina; y sílice natural.
Las formas de las micropartículas de sílice no están particularmente limitadas, y los ejemplos de las mismas incluyen formas esféricas, granulares e irregulares (micropartículas que tienen una forma irregular o amorfa). Desde la perspectiva de lograr simultáneamente resistencia al calor, tenacidad y las características de viscosidad descritas anteriormente, se prefieren las formas esféricas, granulares e irregulares.
El componente (E) se puede seleccionar apropiadamente de productos disponibles comercialmente que tienen el diámetro de partícula promedio descrito anteriormente, y un ejemplo de los mismos incluye CAB-O-SIL M5 (sílice pirógena hidrófila) disponible en Cabot Corporation, y el nombre comercial “AEROSIL 200” (diámetro de partícula promedio: 12 nm) disponible en Nippon Aerosil Co., Ltd.
Agente de curado (F)
En la composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra según una realización de la presente invención, se pueden usar diversos agentes de curado (F) conocidos (en lo sucesivo en la presente memoria, cada uno de ellos también denominado el componente (F)). Los ejemplos del componente (F) incluyen amina, anhídridos de ácido, resinas de novolaca, fenol, mercaptano, complejos de amina de ácido de Lewis, sales de onio e imidazol. Entre estos, desde la perspectiva de mejorar la resistencia al calor, se prefieren las diaminodifenilsulfonas, tales como 3,3'-diaminodifenilsulfona (3,3'-DDS) y 4,4'-diaminodifenilsulfona (4,4'-DDS).
Proporción de mezcla
La composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra según una realización de la presente invención contiene:
por 100 partes en masa de un componente de resina epoxídica formado de 60 a 85 partes en masa del componente (A) y de 15 a 40 partes en masa del componente (B),
de 8 a 15 partes en masa del componente (C),
de 2 a 10 partes en masa del componente (D), y
de 0,5 a 2,5 partes en masa del componente (E).
En 100 partes en masa del componente de resina epoxídica, cuando la proporción de mezcla del componente (A) es inferior a 60 partes en masa (la cantidad del componente (B) es superior a 40 partes en masa), la resistencia al calor se deteriora, y cuando la proporción de mezcla es superior a 85 partes en masa (la cantidad del compuesto (B) es inferior a 15 partes en masa), el producto curado se vuelve quebradizo.
Cuando la cantidad del componente (C) es inferior a 8 partes en masa, la tenacidad se deteriora, y cuando la cantidad del componente (C) es superior a 15 partes en masa, no se puede mantener una baja viscosidad durante la impregnación y se deteriora la viabilidad.
Cuando la cantidad del componente (D) es inferior a 2 partes en masa, la tenacidad se deteriora, y cuando la cantidad del componente (D) es superior a 10 partes en masa, el módulo de elasticidad se deteriora.
Cuando la cantidad del componente (E) es inferior a 0,5 partes en masa, el efecto de la presente invención no se puede lograr debido a la cantidad mezclada demasiado pequeña, y cuando la cantidad del componente (E) es superior a 2,5 partes en masa, la viscosidad mínima aumenta en el proceso de curado y se deteriora la viabilidad.
El componente (A) mejora la resistencia al calor pero hace que el producto curado se vuelva quebradizo, lo cual es problemático. Además, cuando la cantidad mezclada del componente (B) es mayor, la resistencia al calor disminuye. El componente (C) mejora la tenacidad y la fluidez de la resina; sin embargo, cuando se mezcla una gran cantidad del componente (C), la viscosidad aumenta y la viabilidad se deteriora. El componente (D) mejora la tenacidad; sin embargo, cuando se mezcla una gran cantidad del componente (D), el módulo de elasticidad del producto curado se deteriora. El componente (E) es eficaz para controlar la fluidez de la resina; sin embargo, cuando se mezcla una gran cantidad del componente (E), la viscosidad (tixotropía) aumenta y la viabilidad se deteriora.
La composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra según una realización de la presente invención puede aprovechar al máximo las ventajas de los componentes mientras se complementan las características negativas de los componentes. Es decir, debido a que la viscosidad del componente (A) y la viscosidad del componente (B), y las proporciones del componente (A) y el componente (B) están en los intervalos específicos descritos anteriormente, la fragilidad se reduce mientras que la resistencia al calor no se ve afectada y debido a que la cantidad mezclada de los componentes (C), (D) y (E) se establece en intervalos estrechos específicos, se mejoran las características de viscosidad. Mediante tal diseño de mezcla, la composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra según una realización de la presente invención mejora la resistencia al calor y la tenacidad, que se han considerado antinómicas en la técnica relacionada, exhibe una excelente viabilidad manteniendo una baja viscosidad durante la impregnación, y exhibe la fluidez de la resina mediante la cual la resina no fluye excesivamente desde las fibras de refuerzo durante el curado y la resina fluye en la medida en que el espacio se llena durante la laminación.
La composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra según una realización de la presente invención puede contener otro aditivo según sea necesario. Los ejemplos del aditivo incluyen cargas, disolventes, retardantes de llama, antioxidantes, pigmentos (colorantes), plastificantes, absorbentes de UV, tensioactivos (incluidos agentes niveladores), dispersantes, agentes deshidratantes, agentes que imparten adhesión y agentes antiestáticos.
La composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra según una realización de la presente invención se puede preparar amasando los componentes (A) a (E) y otro u otros componentes en cualquier orden o al mismo tiempo. Sin embargo, desde la perspectiva de mejorar el efecto de la presente invención, es preferible disolver el componente (C) en el componente (A) y/o el componente (B), a continuación añadir otro u otros componentes y realizar una proceso de amasado.
En la composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra según una realización de la presente invención, la viscosidad a 70 °C es de 200 Pas o menos, y la viscosidad mínima en el proceso de curado puede ser de 1 Pas o más.
Al permitir que la viscosidad a 70 °C sea de 200 Pas o menos, se facilita la formación de una película delgada de resina uniforme. Además, al permitir que la viscosidad mínima en el proceso de curado sea de 1 Pas o más, se puede evitar el flujo de la composición de resina de las fibras de refuerzo. Cabe apreciar que el proceso de curado en la presente memoria se refiere a un proceso de, por ejemplo, curación de una composición de resina en un molde dejando la resina entre 180 y 200 °C durante aproximadamente 1 a 2 horas.
La viscosidad a 70 °C de la composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra según una realización de la presente invención es preferiblemente de 50 a 200 Pas, y la viscosidad mínima en el proceso de curado es preferiblemente de 1 a 10 Pas.
El prepreg según una realización de la presente invención se forma usando la composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra según una realización de la presente invención como matriz e impregnando fibras de refuerzo, tales como fibras de vidrio, fibras de cuarzo, o fibras de carbono, con la composición de resina epoxídica. La forma de estas fibras de refuerzo no está particularmente limitada, y los ejemplos de las mismas incluyen mechas, mechas orientadas unidireccionalmente, tela, tela no tejida, tela de punto y tul.
El contenido de fibras de refuerzo en el prepreg según una realización de la presente invención es preferiblemente del 20 al 60 % en masa desde la perspectiva de las propiedades mecánicas del material compuesto reforzado con fibra resultante.
Un método de fabricación del prepreg de la presente invención no está especialmente limitado. Los ejemplos de los mismos incluyen métodos de inmersión usando un disolvente y métodos de fusión en caliente (métodos sin disolventes).
El material compuesto reforzado con fibra según una realización de la presente invención se puede obtener curando térmicamente el prepreg.
El uso del material compuesto reforzado con fibra según una realización de la presente invención no está particularmente limitado. Los ejemplos del mismo incluyen piezas para aeronaves (por ejemplo, radomos, carenados, aletas, bordes de ataque, paneles de suelo, hélices y fuselajes); piezas para vehículos de dos ruedas (por ejemplo, bastidores de ciclomotor, colines, guardabarros); piezas para automóviles (por ejemplo, puertas, capós, portones traseros, protectores laterales, paneles laterales, guardabarros, componentes absorbentes de energía, puertas de maleteros, techos duros, cubiertas de espejos laterales, alerones, difusores, portaesquís, cubiertas de cilindros de motor, cubiertas del motor, chasis, alerones de aire y ejes de transmisión); enchapado exterior de vehículos (por ejemplo, partes delanteras de coche, techos, paneles laterales, puertas, cubiertas de plataformas de camiones y faldones laterales); piezas para vehículos ferroviarios (por ejemplo, portaequipajes y asientos); piezas aeronáuticas (por ejemplo, faldones laterales y similares montados sobre vehículos automóviles y rígidos tales como elementos de diseño interior, paneles interiores, paneles exteriores, techos, y suelos de alas de camiones); uso como carcasas (por ejemplo, ordenadores portátiles y teléfonos portátiles); usos médicos (por ejemplo, casetes de rayos X y tableros de mesa); usos para productos de audio (por ejemplo, paneles de altavoz planos y conos de altavoz); usos en artículos deportivos (por ejemplo, cabezales de palos de golf, máscaras para la cara, tablas desnowboard,tablas de surf y protectores); y usos industriales generales, tales como resortes planos, palas de molinos y ascensores (paneles de compartimentos, puertas).
Entre los descritos anteriormente, debido a que el material compuesto reforzado con fibra según una realización de la presente invención exhibe excelente resistencia al calor y tenacidad, el material compuesto reforzado con fibra se usa particularmente preferiblemente en piezas para aeronaves, tales como componentes para estructuras secundarias tales como aletas.
Ejemplos
La presente invención se describirá con mayor detalle mediante ejemplos y ejemplos comparativos, pero la presente invención no está limitada por estos ejemplos.
Los siguientes materiales se usaron en los ejemplos siguientes.
Resina de N,N,N',N'-tetraglicidildiaminodifenilmetano (A)
YH-404 (viscosidad a 50 °C = 3600 a 5000 mPas) disponible en NIPPON STEEL Chemical & Material Co., Ltd.
Resina epoxídica de bisfenol A líquida (B)
YD-128 (viscosidad a 25 °C = 10000 a 15000 mPas) disponible en NIPPON STEEL Chemical & Material Co., Ltd.
Resina termoplástica (C)
Polietersulfona (PES5003P, disponible en Sumitomo Chemical Co., Ltd.)
Micropartículas de elastómero (D)
MX-154, disponible en Kaneka Corporation (mezcla madre de partículas de caucho de resina epoxídica/núcleocubierta; que contiene el 40 % en masa de partículas de caucho núcleo-cubierta a base de butadieno; diámetro de partícula promedio = 100 a 200 nm) Cabe apreciar que, en la Tabla 1 a continuación, se muestra la cantidad de partículas de caucho de núcleo-cubierta.
Micropartículas de sílice (E)
Nombre comercial “AEROSIL 200” , disponible en Nippon Aerosil Co., Ltd. (diámetro de partícula promedio: 12 nm) Agente de curado (F)
4,4-Diaminodifenilsulfona (SEIKACURE-S, disponible en Wakayama Seika Kogyo Co., Ltd.)
Según las proporciones de mezcla (partes en masa) que se muestran en la Tabla 1 a continuación, las materias primas se amasaron usando una amasadora para preparar diversas composiciones de resina.
Se evaluaron los siguientes elementos para cada una de las composiciones de resina epoxídica obtenidas para materiales compuestos reforzados con fibra.
(1) Viscosidad a 70 °C (El caso en el que la viscosidad es de 200 Pas o menos se evalúa como buena viabilidad durante la impregnación de fibras de refuerzo)
(2) Viscosidad mínima en el proceso de curado (El caso en el que la viscosidad es de 1 Pas o más se evalúa como capaz de evitar el flujo excesivo de la composición de resina de las fibras de refuerzo en el proceso de curado.
El caso en el que la viscosidad es de 10 Pas o menos se evalúa como con una fluidez de la resina que permite que la resina fluya en la medida en que se llene el espacio durante la laminación)
(3) Temperatura de transición vítrea: Determinada mediante análisis termomecánico (TMA) a una velocidad de aumento de temperatura de 10 °C/min (El caso en el que la temperatura de transición vítrea es de 180 °C o más se evalúa como buena resistencia al calor)
(4) Módulo elástico de tracción: Determinado según la norma ASTM D638 (El caso en el que el módulo elástico de tracción es de 8,5 GPa o más se evalúa como un buen módulo elástico de tracción)
(5) Alargamiento a la tracción: Determinado según la norma ASTM D638 (El caso en el que el alargamiento a la tracción es de 10000 p o mayor se evalúa como un buen alargamiento a la tracción)
Los resultados se muestran en la Tabla 1
[Tabla 1-a]
[Tabla 1b]
A partir de los resultados de la Tabla 1, debido a que la composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra de cada uno de los Ejemplos según una realización de la presente invención contiene resina de N,N,N',N'-tetraglicidildiaminodifenilmetano (A) que tiene una viscosidad a 50 °C de 6000 mPas o menos, una resina epoxídica de bisfenol A líquida (B) que tiene una viscosidad a 25 °C de 20000 mPas o menos, una resina termoplástica (C), micropartículas de elastómero (D) que tienen un diámetro de partícula promedio de 1000 nm o menos, y micropartículas de sílice (E) que tienen un diámetro de partícula promedio de 1000 nm o menos, mezcladas en intervalos particulares, se mejoraron la resistencia al calor y la tenacidad, que se han considerado antinómicas en la técnica relacionada, y también se lograron excelentes características de viscosidad. Por otro lado, el Ejemplo comparativo 1 dio como resultado un alargamiento a la tracción (tenacidad) inferior en comparación con el de los Ejemplos porque el componente (B) no estaba mezclado.
El Ejemplo comparativo 2 dio como resultado una resistencia al calor inferior en comparación con la de los Ejemplos porque las proporciones de mezcla del componente (A) y el componente (B) no estaban dentro del intervalo especificado en una realización de la presente invención.
El Ejemplo comparativo 3 tenía una viscosidad mínima baja en el proceso de curado y se esperaba un deterioro en las características de viscosidad porque el componente (D) y el componente (E) no estaban mezclados.
Para el Ejemplo comparativo 4, el módulo elástico de tracción se deterioró porque la cantidad mezclada del componente (D) era mayor que el límite superior especificado en una realización de la presente invención y el componente (E) no se mezcló.
Para el Ejemplo comparativo 5, la viscosidad a 70 °C se aumentó y se esperaba un deterioro en las características de viscosidad porque el componente (D) no se mezcló y la cantidad mezclada del componente (E) era mayor que el límite superior especificado en una realización de la presente invención.
Para el Ejemplo comparativo 6, la viscosidad a 70 °C se aumentó y se esperaba un deterioro en las características de viscosidad porque la cantidad mezclada del componente (C) era mayor que el límite superior especificado en una realización de la presente invención.
Para el Ejemplo comparativo 7, la viscosidad a 70 °C se aumentó y se esperaba un deterioro en las características de viscosidad porque la viscosidad del componente (A) era mayor que el límite superior especificado en una realización de la presente invención. Cabe apreciar que, como el componente (A) del Ejemplo comparativo 7, se usó el nombre comercial “ YH-434” (viscosidad a 50 °C = 8000 a 15000 mPas), disponible en NIPPON STEEL Chemical & Material Co., Ltd.
Para el Ejemplo comparativo 8, el módulo elástico de tracción se deterioró porque la cantidad mezclada del componente (D) era mayor que el límite superior especificado en una realización de la presente invención.
Para el Ejemplo comparativo 9, la viscosidad a 70 °C se aumentó y se esperaba un deterioro en las características de viscosidad porque la cantidad mezclada del componente (E) era mayor que el límite superior especificado en una realización de la presente invención.

Claims (12)

  1. REIVINDICACIONES
    i.Una composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra que comprende: por 100 partes en masa de un componente de resina epoxídica que contiene de 60 a 85 partes en masa de resina de N,N,N',N'-tetraglicidildiaminodifenilmetano (A) que tiene una viscosidad a 50 °C de 6000 mPas o menos y de 15 a 40 partes en masa de una resina epoxídica de bisfenol A líquida (B) que tiene una viscosidad a 25 °C de 20000 mPas o menos, en donde la viscosidad a 50 °C y a 25 °C se mide como se describe en la memoria descriptiva,
    de 8 a 15 partes en masa de una resina termoplástica (C),
    de 2 a 10 partes en masa de micropartículas de elastómero (D) que tienen un diámetro de partícula promedio de 1000 nm o menos, y
    de 0,5 a 2,5 partes en masa de micropartículas de sílice (E) que tienen un diámetro de partícula promedio de 1000 nm o menos, en donde el diámetro de partícula promedio significa el valor promedio del diámetro del círculo equivalente medido usando un microscopio electrónico o un microscopio láser.
  2. 2. La composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra según la reivindicación 1 en donde
    una viscosidad a 70 °C es de 200 Pas o menos, y una viscosidad mínima en un proceso de curado es de 1 Pas o más, en donde la viscosidad a 70 °C y la viscosidad mínima se miden como se describe en la memoria descriptiva.
  3. 3. La composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra según la reivindicación 1 en donde
    la resina termoplástica (C) es polietersulfona.
  4. 4. La composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra según la reivindicación 1 en donde
    la composición de resina epoxídica se forma disolviendo la resina termoplástica (C) en el componente (A) y/o el componente (B).
  5. 5. La composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra según la reivindicación 1 en donde
    las micropartículas de elastómero (D) son micropartículas de núcleo-cubierta.
  6. 6. La composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra según la reivindicación 1, que comprende además
    un agente de curado (F), en donde el agente de curado (F) es diaminodifenilsulfona.
  7. 7. La composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra según la reivindicación 1 en donde
    la viscosidad a 50 °C de la resina de N,N,N',N'-tetraglicidildiaminodifenilmetano (A) es de 3000 a 6000 mPas, en donde la viscosidad a 50 °C se mide según se describe en la memoria descriptiva.
  8. 8. La composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra según la reivindicación 1 en donde
    la viscosidad a 25 °C de la resina epoxídica de bisfenol A líquida (B) es de 18000 mPas o menos, en donde la viscosidad a 25 °C se mide como se describe en la memoria descriptiva.
  9. 9. La composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra según la reivindicación 1 en donde
    el diámetro de partícula promedio de las micropartículas de elastómero (D) es de 500 nm o menos, en donde el diámetro de partícula promedio significa el valor promedio del diámetro del círculo equivalente medido usando un microscopio electrónico o un microscopio láser.
  10. 10. La composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra según la reivindicación 1 en donde
    el diámetro de partícula promedio de las micropartículas de sílice (E) es de 5 a 100 nm, en donde el diámetro de partícula promedio significa el valor promedio del diámetro del círculo equivalente medido usando un microscopio electrónico o un microscopio láser.
  11. 11. Un prepreg formado usando la composición de resina epoxídica para un material compuesto reforzado con fibra descrito en la reivindicación 1 como matriz e impregnando fibras de refuerzo con la composición de resina epoxídica.
  12. 12. Un material compuesto reforzado con fibra, siendo el material compuesto reforzado con fibra un producto termoendurecible del prepreg descrito en la reivindicación 11.
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