JP7143473B2 - Prepreg, its manufacturing method, and fiber-reinforced composite material - Google Patents
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Description
本発明は、プリプレグ及びその製造方法、並びに繊維強化複合材料に関する。更に詳述すれば、破壊靱性に優れた繊維強化複合材料を製造することができるプリプレグ及びその製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a prepreg, its manufacturing method, and a fiber-reinforced composite material. More specifically, the present invention relates to a prepreg capable of producing a fiber-reinforced composite material having excellent fracture toughness and a method for producing the same.
強化繊維と樹脂とからなる繊維強化複合材料は、軽量、高強度、高弾性率等の特長を有し、航空機、スポーツ・レジャー、一般産業に広く応用されている。この繊維強化複合材料は、強化繊維と、マトリクス樹脂と呼ばれる樹脂と、が予め一体化されているプリプレグを経由して製造されることが多い。 Fiber-reinforced composite materials, which consist of reinforcing fibers and resins, have features such as light weight, high strength, and high elastic modulus, and are widely used in aircraft, sports/leisure, and general industries. This fiber-reinforced composite material is often manufactured via a prepreg in which reinforcing fibers and a resin called matrix resin are integrated in advance.
強化繊維とマトリクス樹脂からなるプリプレグを成形して製造される繊維強化複合材料は、不均一材料である。通常、繊維強化複合材料において、強化繊維の配列方向の物性と、それ以外の方向の物性とには、大きな相違がある。 A fiber-reinforced composite material manufactured by molding a prepreg composed of reinforcing fibers and a matrix resin is a heterogeneous material. Generally, in a fiber-reinforced composite material, there is a large difference between the physical properties in the direction in which the reinforcing fibers are arranged and the physical properties in the other directions.
例えば、落錘衝撃に対する抵抗性を示す尺度になる耐衝撃性は、層間の板端剥離強度等で定量される層間剥離強度によって支配される。従って、強化繊維の強度を向上させるのみでは、繊維強化複合材料の物性の抜本的な改良に結びつかないことが知られている。特に、熱硬化性樹脂は靭性が低い。従って、熱硬化性樹脂をマトリクス樹脂とする繊維強化複合材料は、マトリクス樹脂の低い靭性を反映し、強化繊維の配列方向以外から加えられる応力に対し、破壊され易い。この問題を解決するため、強化繊維の配列方向以外から加えられる応力に対応できることを可能とする種々の技術が提案されている。 For example, impact resistance, which is a measure of resistance to falling weight impact, is governed by delamination strength quantified by plate edge delamination strength between layers. Therefore, it is known that simply improving the strength of reinforcing fibers does not lead to drastic improvements in physical properties of fiber-reinforced composite materials. In particular, thermosetting resins have low toughness. Therefore, a fiber-reinforced composite material using a thermosetting resin as a matrix resin is likely to break due to stress applied from a direction other than the direction in which the reinforcing fibers are arranged, reflecting the low toughness of the matrix resin. In order to solve this problem, various techniques have been proposed that make it possible to cope with stress applied from a direction other than the direction in which the reinforcing fibers are arranged.
それらの一つとして、プリプレグの表面領域に、樹脂粒子が分散する樹脂層を設けたプリプレグが提案されている。具体的には、ナイロン等の熱可塑性樹脂粒子を分散させた樹脂層をその表面領域に設けたプリプレグを用いることにより、靭性に優れた樹脂層を形成し、繊維強化複合材料の耐衝撃性を改善することが提案されている(特許文献1参照)。 As one of them, a prepreg is proposed in which a resin layer in which resin particles are dispersed is provided on the surface region of the prepreg. Specifically, by using a prepreg in which a resin layer in which thermoplastic resin particles such as nylon are dispersed is used in the surface area, a resin layer with excellent toughness is formed, and the impact resistance of the fiber reinforced composite material is improved. An improvement has been proposed (see Patent Document 1).
また、特許文献2には、ポリスルホンオリゴマーを添加することにより靭性が改良された樹脂組成物と、熱硬化性樹脂粒子と、の組み合わせによって、製造される複合材料に高度の靭性を発現させる技術が提案されている。
In addition,
しかし、これらの技術を用いた場合、含浸時に樹脂粒子が強く押圧される結果、樹脂粒子が変形したり、繊維層の繊維間距離が小さくなったりする場合があった。そのため、繊維層における均一性が低下し、繊維強化複合材料の機械物性が不十分なものとなっていた。
また、プリプレグの表面領域に樹脂粒子が存在すると、プリプレグのタック性が低下する傾向があった。
However, when these techniques are used, the resin particles are strongly pressed during impregnation, and as a result, the resin particles may be deformed or the inter-fiber distance of the fiber layer may be reduced. As a result, the uniformity of the fiber layer is reduced, and the mechanical properties of the fiber-reinforced composite material are insufficient.
In addition, the presence of resin particles in the surface region of the prepreg tends to reduce the tackiness of the prepreg.
このように、優れたタック性を有するプリプレグであって、優れた機械物性を備える繊維強化複合材料を製造することができるプリプレグは従来存在しない。 Thus, there is no prepreg that has excellent tackiness and from which a fiber-reinforced composite material having excellent mechanical properties can be produced.
本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、優れたタック性を有するプリプレグであって、優れた機械物性を備える繊維強化複合材料を製造することができるプリプレグ及びその製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and to provide a prepreg having excellent tackiness and capable of producing a fiber-reinforced composite material having excellent mechanical properties, and a method for producing the same. to do.
本発明者らは、上記課題を解決すべく検討した結果、粒子状物質を含有するプリプレグの製造にあたって、粒子状物質を含む樹脂組成物を、粒子状物質を含まない樹脂組成物の層を介して強化繊維基材内に含浸し、これらを一体化することにより製造されるプリプレグは、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of studies to solve the above problems, the present inventors have found that, in producing a prepreg containing particulate matter, a resin composition containing particulate matter is passed through a layer of a resin composition that does not contain particulate matter. The present inventors have found that a prepreg manufactured by impregnating a reinforcing fiber base material with a reinforced fiber base material and integrating them can solve the above problems, and have completed the present invention.
上記課題を達成する本発明は、以下に記載のものである。 The present invention for achieving the above objects is described below.
〔1〕 強化繊維基材と、前記強化繊維基材内に含浸された熱硬化性樹脂組成物と、から成る樹脂含浸繊維層(I)と、
粒子状物質を含む粒子含有樹脂組成物から成り、前記樹脂含浸繊維層(I)の片面又は両面に形成された粒子含有樹脂層(II)と、
熱硬化性樹脂組成物から成り、前記粒子含有樹脂層(II)の表面に形成された樹脂被覆層(III)と、
から成るプリプレグであって、
樹脂含浸繊維層(I)中の強化繊維の平均繊維径(r)と平均繊維間距離(d)とが下記式(1)
0.04 ≦ d/r ≦ 0.25 ・・・式(1)
を満たすことを特徴とするプリプレグ。
[1] a resin-impregnated fiber layer (I) comprising a reinforcing fiber base material and a thermosetting resin composition impregnated in the reinforcing fiber base material;
a particle-containing resin layer (II) made of a particle-containing resin composition containing particulate matter and formed on one or both sides of the resin-impregnated fiber layer (I);
a resin coating layer (III) made of a thermosetting resin composition and formed on the surface of the particle-containing resin layer (II);
A prepreg consisting of
The average fiber diameter (r) and the average inter-fiber distance (d) of the reinforcing fibers in the resin-impregnated fiber layer (I) are expressed by the following formula (1)
0.04≦d/r≦0.25 Expression (1)
A prepreg characterized by satisfying
上記〔1〕に記載の発明は、樹脂含浸繊維層(I)、粒子含有樹脂層(II)、及び樹脂被覆層(III)の少なくとも3層以上の積層構造を有するプリプレグである。このプリプレグの樹脂含浸繊維層(I)中の強化繊維の平均繊維径(r)と平均繊維間距離(d)とは式(1)の関係を満たす。即ち、強化繊維基材を構成する強化繊維の繊維間距離が所定の範囲内にある。このプリプレグは、含浸操作を経て製造されており、かつ該含浸操作によって強化繊維基材の繊維間距離が所定の範囲で確保されているプリプレグである。 The invention described in [1] above is a prepreg having a laminated structure of at least three layers, namely, the resin-impregnated fiber layer (I), the particle-containing resin layer (II), and the resin coating layer (III). The average fiber diameter (r) and the average inter-fiber distance (d) of the reinforcing fibers in the resin-impregnated fiber layer (I) of this prepreg satisfy the relationship of formula (1). That is, the inter-fiber distance of the reinforcing fibers forming the reinforcing fiber substrate is within a predetermined range. This prepreg is manufactured through an impregnation operation, and is a prepreg in which the inter-fiber distance of the reinforcing fiber base material is ensured within a predetermined range by the impregnation operation.
〔2〕 前記粒子状物質のレーザー回折法により測定される平均粒子径が、前記平均繊維間距離(d)に対して2~1400倍である〔1〕に記載のプリプレグ。 [2] The prepreg according to [1], wherein the average particle size of the particulate matter measured by a laser diffraction method is 2 to 1400 times the average interfiber distance (d).
上記〔2〕に記載の発明は、粒子状物質の平均粒子径が平均繊維間距離(d)に対して2~1400倍であるプリプレグである。このプリプレグを積層して作製する繊維強化複合材料は、所定の大きさの粒子状物質が強化繊維層の層間に存在するため、耐衝撃性が特に優れる(以下、強化繊維層の層間に存在する粒子状物質を「層間粒子」ともいう)。 The invention described in [2] above is a prepreg in which the average particle diameter of the particulate matter is 2 to 1400 times the average inter-fiber distance (d). The fiber-reinforced composite material produced by laminating this prepreg has particularly excellent impact resistance because particulate matter of a predetermined size is present between the reinforcing fiber layers (hereinafter referred to as "existing between the reinforcing fiber layers Particulate matter is also referred to as "interlayer particles").
〔3〕 前記粒子状物質の含有量が、プリプレグに含まれる全樹脂組成物の質量に対して5~60質量%である〔1〕に記載のプリプレグ。 [3] The prepreg according to [1], wherein the content of the particulate matter is 5 to 60% by mass with respect to the mass of the total resin composition contained in the prepreg.
上記〔3〕に記載の発明は、プリプレグにおける粒子状物質の含有量が、プリプレグに含まれる全樹脂組成物の質量に対して5~60質量%であるプリプレグである。このプリプレグを積層して作製する繊維強化複合材料は、強化繊維層の層間に所定量の層間粒子が存在するため、耐衝撃性が特に優れる。 The invention described in [3] above is a prepreg in which the content of particulate matter in the prepreg is 5 to 60% by mass with respect to the mass of the total resin composition contained in the prepreg. A fiber-reinforced composite material produced by laminating this prepreg has a predetermined amount of interlayer particles between the reinforcing fiber layers, and therefore has particularly excellent impact resistance.
〔4〕 繊維間距離の変動係数が15%以下である〔1〕に記載のプリプレグ。 [4] The prepreg according to [1], wherein the coefficient of variation of the inter-fiber distance is 15% or less.
上記〔4〕に記載の発明は、繊維間距離の変動係数が小さいプリプレグである。本発明のプリプレグは、その製造工程において、強化繊維基材内に樹脂が含浸されて製造されている。上記〔4〕に記載の発明は、該含浸によって繊維強化基材の一部が潰れるような変形が実質的に生じていないプリプレグである。 The invention described in [4] above is a prepreg having a small coefficient of variation of the inter-fiber distance. The prepreg of the present invention is manufactured by impregnating a reinforcing fiber base material with a resin in the manufacturing process. The invention described in [4] above is a prepreg in which the impregnation does not substantially cause deformation such that a portion of the fiber-reinforced base material is crushed.
〔5〕 前記樹脂被覆層(III)を構成する熱硬化性樹脂組成物が、熱硬化性樹脂と該熱硬化性樹脂100質量部に対して10~50質量部の熱可塑性樹脂とを含む熱硬化性樹脂組成物である〔1〕に記載のプリプレグ。 [5] The thermosetting resin composition constituting the resin coating layer (III) contains a thermosetting resin and 10 to 50 parts by mass of a thermoplastic resin per 100 parts by mass of the thermosetting resin. The prepreg according to [1], which is a curable resin composition.
上記〔5〕に記載の発明は、樹脂被覆層(III)が所定量の熱可塑性樹脂により改質されているため、タック性が優れる。また、所定量の熱可塑性樹脂を含有しており粘度が高いため、粒子含有樹脂層(II)への沈み込みが抑制され、プリプレグのタック性が保持される。 The invention described in [5] above has excellent tackiness because the resin coating layer (III) is modified with a predetermined amount of thermoplastic resin. Moreover, since it contains a predetermined amount of thermoplastic resin and has a high viscosity, sinking into the particle-containing resin layer (II) is suppressed, and the tackiness of the prepreg is maintained.
〔6〕 前記樹脂被覆層(III)を構成する熱硬化性樹脂組成物の100℃における粘度が、1~1000Pa・sである〔1〕に記載のプリプレグ。 [6] The prepreg according to [1], wherein the thermosetting resin composition constituting the resin coating layer (III) has a viscosity of 1 to 1000 Pa·s at 100°C.
上記〔6〕に記載の発明は、樹脂被覆層(III)が所定の粘度を有するため、樹脂被覆層(III)が粒子含有樹脂層(II)に沈み込むことが抑制され、プリプレグのタック性が保持される。 In the invention described in [6] above, since the resin coating layer (III) has a predetermined viscosity, the resin coating layer (III) is suppressed from sinking into the particle-containing resin layer (II), and the prepreg tackiness is retained.
〔7〕 前記強化繊維基材が、炭素繊維から成る強化繊維基材である〔1〕に記載のプリプレグ。 [7] The prepreg according to [1], wherein the reinforcing fiber base material is a reinforcing fiber base material made of carbon fibers.
〔8〕 強化繊維基材の片面又は両面に、熱硬化性樹脂と粒子状物質とを含む粒子含有樹脂組成物から成る樹脂フィルム(A)を積重し、
次いで、樹脂フィルム(A)の表面に、熱硬化性樹脂組成物から成る樹脂フィルム(B)を積重し、
前記樹脂フィルム(B)を介して前記樹脂フィルム(A)を含浸圧力1~50kN/cmで加圧することを特徴とするプリプレグの製造方法。
[8] stacking a resin film (A) made of a particle-containing resin composition containing a thermosetting resin and particulate matter on one or both sides of a reinforcing fiber base material;
Next, a resin film (B) made of a thermosetting resin composition is stacked on the surface of the resin film (A),
A method for producing a prepreg, wherein the resin film (A) is pressed through the resin film (B) at an impregnation pressure of 1 to 50 kN/cm.
上記〔8〕に記載の発明は、〔1〕に記載のプリプレグの製造方法である。このプリプレグの製造方法は、粒子状物質を含む樹脂組成物から成る樹脂フィルム(A)を、粒子状物質を含まない樹脂組成物から成る樹脂フィルム(B)を介して含浸圧力1~50kN/cmという低い圧力で加圧する。これにより、樹脂フィルム(A)を構成する粒子含有樹脂組成物のうち、粒子状物質を除いた樹脂組成物を強化繊維基材内に含浸するとともに、粒子状物質を強化繊維基材の表面に偏在させる。このプリプレグの製造方法は、含浸時に加圧ローラー等の加圧部材が粒子状物質に直接接触せず、樹脂フィルム(B)を介して低い圧力で加圧されるため、粒子状物質の変形や強化繊維基材の繊維間距離が小さくなることを抑制できる。 The invention described in [8] above is the method for producing a prepreg described in [1]. In this prepreg manufacturing method, a resin film (A) made of a resin composition containing particulate matter is impregnated with a resin film (B) made of a resin composition containing no particulate matter at an impregnation pressure of 1 to 50 kN / cm. Pressurize with a low pressure. As a result, of the particle-containing resin composition constituting the resin film (A), the resin composition excluding the particulate matter is impregnated into the reinforcing fiber base material, and the particulate matter is applied to the surface of the reinforcing fiber base material. biased. In this prepreg manufacturing method, a pressure member such as a pressure roller does not come into direct contact with the particulate matter during impregnation, and the resin film (B) is used to pressurize the particulate matter at a low pressure. It is possible to suppress the inter-fiber distance of the reinforcing fiber base material from becoming smaller.
〔9〕 〔8〕に記載のプリプレグの製造方法であって、
前記樹脂フィルム(A)を構成する粒子含有樹脂組成物の100℃における粘度が、10~1000Pa・sであるプリプレグの製造方法。
[9] A method for producing a prepreg according to [8],
A method for producing a prepreg, wherein the particle-containing resin composition constituting the resin film (A) has a viscosity of 10 to 1000 Pa·s at 100°C.
上記〔9〕に記載の発明は、所定の粘度を有するため、樹脂被覆層(III)が粒子含有樹脂層(II)に沈み込むことが抑制され、プリプレグのタック性が保持される。 Since the invention described in [9] above has a predetermined viscosity, the resin coating layer (III) is suppressed from sinking into the particle-containing resin layer (II), and the tackiness of the prepreg is maintained.
〔10〕 強化繊維基材と熱硬化性樹脂とを含んで成り、強化繊維基材同士の層間に粒子状物質が存在する繊維強化複合材料であって、
前記強化繊維基材の任意の断面における繊維間距離の変動係数が15%以下であることを特徴とする繊維強化複合材料。
[10] A fiber-reinforced composite material comprising a reinforcing fiber base material and a thermosetting resin, wherein particulate matter is present between the layers of the reinforcing fiber base material,
A fiber-reinforced composite material, wherein the coefficient of variation of the distance between fibers in an arbitrary cross section of the reinforcing fiber base material is 15% or less.
上記〔10〕に記載の発明は、本発明のプリプレグを用いて作製される繊維強化複合材料である。この繊維強化複合材料は、繊維間距離の変動係数が15%以下であるため、強化繊維の各単繊維にかかる応力を略均一に分散することができる。 The invention described in [10] above is a fiber-reinforced composite material produced using the prepreg of the present invention. Since this fiber-reinforced composite material has a coefficient of variation of the inter-fiber distance of 15% or less, the stress applied to each single fiber of the reinforcing fibers can be dispersed substantially uniformly.
本発明のプリプレグは、樹脂含浸繊維層(I)の表面に粒子含有樹脂層(II)が形成されている。そのため、このプリプレグを積層して作製する繊維強化複合材料は、強化繊維基材の層間に粒子状物質が層間粒子として分散する。この層間粒子は、繊維強化複合材料が受ける衝撃の伝播を抑制する。その結果、繊維強化複合材料の耐衝撃性が向上する。 In the prepreg of the present invention, the particle-containing resin layer (II) is formed on the surface of the resin-impregnated fiber layer (I). Therefore, in the fiber-reinforced composite material produced by laminating this prepreg, the particulate matter is dispersed as interlayer particles between the layers of the reinforcing fiber base material. The interlayer particles suppress the propagation of impacts received by the fiber-reinforced composite material. As a result, the impact resistance of the fiber-reinforced composite material is improved.
本発明のプリプレグは、粒子状物質を含まない樹脂被覆層(III)を有するため、優れたタック性を有する。 Since the prepreg of the present invention has the resin coating layer (III) containing no particulate matter, it has excellent tackiness.
本発明のプリプレグは、粒子状物質を含む樹脂フィルム(A)が樹脂フィルム(B)を介して加圧含浸されるので、粒子状物質と加圧部材とが直接接触し難い。そのため、粒子状物質の変形が抑制される。その結果、このプリプレグを積層して作製される繊維強化複合材料は、層間粒子の機能が高く発現される。 In the prepreg of the present invention, the particulate matter-containing resin film (A) is pressure-impregnated through the resin film (B), so direct contact between the particulate matter and the pressing member is unlikely. Therefore, deformation of the particulate matter is suppressed. As a result, the fiber-reinforced composite material produced by laminating this prepreg exhibits high functionality of the interlayer particles.
本発明のプリプレグは、粒子状物質を含む樹脂フィルム(A)が樹脂フィルム(B)を介して加圧含浸されるので、粒子状物質と加圧部材とが直接接触し難い。そのため、粒子状物質が強化繊維基材内に押し込まれることによる強化繊維基材の変形が抑制される。即ち、強化繊維基材の繊維間距離が十分に確保される。その結果、このプリプレグを用いて作製する繊維強化複合材料は、強化繊維の各単繊維にかかる応力を均一に分散することができるため、高い耐衝撃性を発現することができる。 In the prepreg of the present invention, the particulate matter-containing resin film (A) is pressure-impregnated through the resin film (B), so direct contact between the particulate matter and the pressing member is unlikely. Therefore, deformation of the reinforcing fiber base material due to the particulate matter being pushed into the reinforcing fiber base material is suppressed. That is, the inter-fiber distance of the reinforcing fiber base material is sufficiently secured. As a result, a fiber-reinforced composite material produced using this prepreg can uniformly disperse the stress applied to each single fiber of the reinforcing fibers, and therefore can exhibit high impact resistance.
以下、本発明のプリプレグ、その製造方法、及び繊維強化複合材料の詳細について説明する。 The details of the prepreg, the method for producing the same, and the fiber-reinforced composite material of the present invention will be described below.
1. プリプレグ
本発明のプリプレグは、強化繊維基材と、前記強化繊維基材内に含浸された熱硬化性樹脂組成物と、から成る樹脂含浸繊維層(I)と;
粒子状物質を含む粒子含有樹脂組成物から成り、前記樹脂含浸繊維層(I)の片面又は両面に形成された粒子含有樹脂層(II)と;
熱硬化性樹脂を含む樹脂組成物から成り、前記粒子含有樹脂層(II)の表面に形成された樹脂被覆層(III)とから成る。
1. Prepreg The prepreg of the present invention is a resin-impregnated fiber layer (I) comprising a reinforcing fiber base material and a thermosetting resin composition impregnated in the reinforcing fiber base material;
a particle-containing resin layer (II) made of a particle-containing resin composition containing particulate matter and formed on one or both sides of the resin-impregnated fiber layer (I);
A resin coating layer (III) made of a resin composition containing a thermosetting resin and formed on the surface of the particle-containing resin layer (II).
図1は、本プリプレグの一例を示す概略断面図である。図1中、100は本発明のプリプレグであり、10は樹脂含浸繊維層(I)である。樹脂含浸繊維層(I)10は、強化繊維基材11とこの強化繊維基材内に含浸している熱硬化性樹脂組成物13とから構成されている。樹脂含浸繊維層(I)10の片面又は両面(図1においては片面)には、粒子含有樹脂層(II)20が形成されている。粒子含有樹脂層(II)20は、粒子状物質21と熱硬化性樹脂組成物23とを含む粒子含有樹脂組成物から構成されている。粒子含有樹脂層(II)20の表面には、樹脂被覆層(III)30が形成されている。樹脂被覆層(III)30は、熱硬化性樹脂を含む樹脂組成物31から形成されている。
これらの樹脂含浸繊維層(I)10と、粒子含有樹脂層(II)20と、樹脂被覆層(III)30と、はこの順に積層されて一体化されている。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of this prepreg. In FIG. 1, 100 is the prepreg of the present invention, and 10 is the resin-impregnated fiber layer (I). The resin-impregnated fiber layer (I) 10 is composed of a reinforcing
The resin-impregnated fiber layer (I) 10, the particle-containing resin layer (II) 20, and the resin coating layer (III) 30 are laminated in this order and integrated.
本発明のプリプレグは、強化繊維基材全体に樹脂が含浸されたプリプレグである。プリプレグの吸水率は5%以下であることが好ましく、4%以下であることがより好ましく、3%以下であることが特に好ましい。吸水率の下限値は一般に0.5%以上であることが好ましく、1%以上であることがより好ましい。本発明において吸水率は、プリプレグ中の空隙率を示す指標であり、吸水率が高いほどプリプレグ中の空隙率が高いことを示す。吸水率が高い場合、プリプレグ中に空隙が多いため、成形時の取扱い性が悪化する。また、製造される繊維強化複合材料に空隙が残りやすいため、その機械物性に悪影響を及す場合がある。吸水率が低い場合、プリプレグ中の空隙が少ないため、ドレープ性が低くなる。そのため、良好な成形加工性(形状追従性)が得られなくなる場合がある。なお、吸水率の測定方法は後述する。 The prepreg of the present invention is a prepreg in which the entire reinforcing fiber base material is impregnated with a resin. The water absorption rate of the prepreg is preferably 5% or less, more preferably 4% or less, and particularly preferably 3% or less. The lower limit of water absorption is generally preferably 0.5% or more, more preferably 1% or more. In the present invention, the water absorption is an index showing the porosity in the prepreg, and the higher the water absorption, the higher the porosity in the prepreg. When the water absorption rate is high, the prepreg has many voids, which deteriorates the handleability during molding. In addition, voids tend to remain in the manufactured fiber-reinforced composite material, which may adversely affect its mechanical properties. When the water absorption is low, the prepreg has few voids, resulting in poor drapeability. Therefore, good moldability (shape followability) may not be obtained. A method for measuring water absorption will be described later.
プリプレグ全体における樹脂の含有率は、プリプレグの全質量を基準として、15~60質量%であることが好ましい。樹脂含有率が15質量%未満である場合、得られる繊維強化複合材料に空隙などが発生し、機械物性を低下させる場合がある。樹脂含有率が60質量%を超える場合、強化繊維による補強効果が不十分となり、実質的に質量対比機械物性が低いものになる場合がある。樹脂含有率は、20~55質量%であることが好ましく、25~50質量%であることがより好ましい。 The resin content in the entire prepreg is preferably 15 to 60% by mass based on the total mass of the prepreg. If the resin content is less than 15% by mass, voids and the like may occur in the resulting fiber-reinforced composite material, degrading mechanical properties. If the resin content exceeds 60% by mass, the reinforcing effect of the reinforcing fibers may be insufficient, resulting in substantially low mechanical properties relative to mass. The resin content is preferably 20 to 55% by mass, more preferably 25 to 50% by mass.
プリプレグ全体における粒子状物質の含有率は、プリプレグに含まれる全樹脂組成物の質量に対して5~60質量%であることが好ましく、10~40質量%であることがより好ましい。5質量%未満である場合、層間粒子が不足し、このプリプレグを積層して作製する繊維強化複合材料の耐衝撃性が不十分になり易い。60質量%を超える場合、このプリプレグを積層して作製する繊維強化複合材料にボイドが形成され易い。また、粒子状物質の含有量は、プリプレグ全質量に対して、1~10質量%であることが好ましく、2~5質量%であることがより好ましい。
The content of particulate matter in the entire prepreg is preferably 5 to 60% by mass, more preferably 10 to 40% by mass, based on the mass of the total resin composition contained in the prepreg. If it is less than 5% by mass, the interlaminar particles are insufficient, and the impact resistance of the fiber-reinforced composite material produced by laminating this prepreg tends to be insufficient. If it exceeds 60% by mass, voids are likely to be formed in the fiber-reinforced composite material produced by laminating this prepreg. Also, the content of the particulate matter is preferably 1 to 10% by mass, more preferably 2 to 5% by mass, based on the total mass of the prepreg.
(1)樹脂含浸繊維層(I)
樹脂含浸繊維層(I)は、強化繊維基材と、前記強化繊維基材内に含浸された熱硬化性樹脂組成物と、から成る。樹脂含浸層の厚み、平均繊維間距離は後述の方法でプリプレグを硬化し測定される。
(1) Resin-impregnated fiber layer (I)
The resin-impregnated fiber layer (I) comprises a reinforcing fiber base material and a thermosetting resin composition impregnated in the reinforcing fiber base material. The thickness of the resin-impregnated layer and the average distance between fibers are measured by curing the prepreg by the method described later.
樹脂含浸繊維層(I)の厚みは100~180μmであることが好ましく、120~160μmであることがより好ましい。100μm未満である場合、成型後の繊維層厚み薄くなり、引張強度が低下する。180μmを超える場合、成型後の樹脂粒子層の厚みが薄くなり、耐衝撃性が低下する。 The thickness of the resin-impregnated fiber layer (I) is preferably 100-180 μm, more preferably 120-160 μm. If it is less than 100 μm, the thickness of the fiber layer after molding becomes thin and the tensile strength decreases. If it exceeds 180 μm, the thickness of the resin particle layer after molding becomes thin and the impact resistance decreases.
樹脂含浸繊維層(I)における樹脂含有率は、5~30質量%であることが好ましく、10~20質量%であることがより好ましい。5質量%未満である場合、樹脂の未含浸部分が形成され易い。30質量%を超える場合、プリプレグの柔軟性(ドレープ性)が低下し易い。 The resin content in the resin-impregnated fiber layer (I) is preferably 5-30% by mass, more preferably 10-20% by mass. If the content is less than 5% by mass, portions not impregnated with the resin are likely to be formed. If it exceeds 30% by mass, the flexibility (drapability) of the prepreg tends to deteriorate.
樹脂含浸繊維層(I)における強化繊維の平均繊維径(r)と平均繊維間距離(d)とは、下記式(1)
0.04 ≦ d/r ≦ 0.25 ・・・式(1)
を満たす。ここで、下限値は0.08であることが好ましく、0.13であることがより好ましい。上限値は、0.24であることが好ましく、0.20であることがより好ましい。
0.04~0.25であれば、単繊維同士が接触している比率が低く、単繊維間にマトリクス樹脂が十分に浸透した状態となる。そのため、強化繊維の単繊維表面とマトリクス樹脂との接着面が多くなる。その結果、このプリプレグを用いて作製される繊維強化複合材料に応力がかかった時に、マトリクス樹脂から伝達される応力を各単繊維に均一に分散することができる。したがって、繊維強化複合材料の機械物性を高くすることができる。0.04未満である場合、強化繊維の含有量が少な過ぎるため、このプリプレグを用いて作製する繊維強化複合材料の機械物性が不十分となる。0.25を超える場合、単繊維同士の接触が多く、このプリプレグを用いて作製する繊維強化複合材料は、強化繊維の各単繊維にかかる応力を均一に分散することができない。
なお、本発明において繊維間距離とは、単一の強化繊維基材層内において最も近接する繊維同士の距離を意味し、隣接する強化繊維層との距離を意味するものではない。
The average fiber diameter (r) and the average inter-fiber distance (d) of the reinforcing fibers in the resin-impregnated fiber layer (I) are expressed by the following formula (1)
0.04≦d/r≦0.25 Expression (1)
meet. Here, the lower limit is preferably 0.08, more preferably 0.13. The upper limit is preferably 0.24, more preferably 0.20.
If it is 0.04 to 0.25, the ratio of single fibers in contact with each other is low, and the matrix resin sufficiently permeates between the single fibers. Therefore, the bonding surface between the single fiber surface of the reinforcing fiber and the matrix resin increases. As a result, when stress is applied to a fiber-reinforced composite material produced using this prepreg, the stress transmitted from the matrix resin can be uniformly dispersed among the single fibers. Therefore, the mechanical properties of the fiber-reinforced composite material can be enhanced. If it is less than 0.04, the fiber-reinforced composite material produced using this prepreg will have insufficient mechanical properties because the content of the reinforcing fibers is too small. If it exceeds 0.25, the contact between the single fibers is large, and the fiber-reinforced composite material produced using this prepreg cannot uniformly disperse the stress applied to each single fiber of the reinforcing fibers.
In the present invention, the inter-fiber distance means the distance between the closest fibers in a single reinforcing fiber base layer, and does not mean the distance between adjacent reinforcing fiber layers.
樹脂含浸繊維層(I)における強化繊維の平均繊維間距離(d)は、0.4~1.2μmであることが好ましく、0.65~1.0μmであることがより好ましい。 The average fiber-to-fiber distance (d) of the reinforcing fibers in the resin-impregnated fiber layer (I) is preferably 0.4 to 1.2 μm, more preferably 0.65 to 1.0 μm.
樹脂含浸繊維層(I)における強化繊維の平均繊維径(r)は、4~20μmであることが好ましく、5~10μmであることがより好ましい。 The average fiber diameter (r) of the reinforcing fibers in the resin-impregnated fiber layer (I) is preferably 4-20 μm, more preferably 5-10 μm.
樹脂含浸繊維層(I)における強化繊維の繊維間距離の変動係数は15%以下であることが好ましく、14%以下であることがより好ましく、13%以下であることが特に好ましい。15%を超える場合、繊維間距離のばらつきが大きく、このプリプレグを用いて作製する繊維強化複合材料は、強化繊維の各単繊維にかかる応力を均一に分散することができない。変動係数の下限値は小さいほど好ましいが、一般に0.1%以上である。
なお、強化繊維の繊維間距離の変動係数を小さくするには、繊維間距離の変動係数が小さい強化繊維基材を用いて、該繊維間距離をできるだけ変動させず(特に、局所的な変動を生じないように)に樹脂を含浸することが求められる。
The coefficient of variation of the distance between reinforcing fibers in the resin-impregnated fiber layer (I) is preferably 15% or less, more preferably 14% or less, and particularly preferably 13% or less. If it exceeds 15%, the inter-fiber distance varies greatly, and the fiber-reinforced composite material produced using this prepreg cannot uniformly disperse the stress applied to each single fiber of the reinforcing fibers. Although the lower limit of the coefficient of variation is preferably as small as possible, it is generally 0.1% or more.
In order to reduce the coefficient of variation of the inter-fiber distance of the reinforcing fibers, a reinforcing fiber base material having a small variation coefficient of the inter-fiber distance is used, and the inter-fiber distance is not varied as much as possible (particularly, local variation is It is required to impregnate the resin in such a way that it does not occur.
(1-1)強化繊維基材
本発明で用いる強化繊維基材としては、特に制限はなく、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、炭化ケイ素繊維、ポリエステル繊維、セラミック繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、金属繊維、鉱物繊維、岩石繊維及びスラッグ繊維などが挙げられる。
(1-1) Reinforcing fiber substrate The reinforcing fiber substrate used in the present invention is not particularly limited, and examples thereof include carbon fiber, glass fiber, aramid fiber, silicon carbide fiber, polyester fiber, ceramic fiber, alumina fiber, and boron. Fibers, metal fibers, mineral fibers, rock fibers, slag fibers and the like.
これらの強化繊維の中でも、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維が好ましい。比強度、比弾性率が良好で、軽量かつ高強度の繊維強化複合材料が得られる点で、炭素繊維がより好ましい。引張強度に優れる点でポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維が特に好ましい。 Among these reinforcing fibers, carbon fibers, glass fibers, and aramid fibers are preferred. Carbon fiber is more preferable because it has good specific strength and specific modulus, and provides a lightweight and high-strength fiber-reinforced composite material. Polyacrylonitrile (PAN)-based carbon fibers are particularly preferred because of their excellent tensile strength.
強化繊維にPAN系炭素繊維を用いる場合、その引張弾性率は、100~600GPaであることが好ましく、200~500GPaであることがより好ましく、230~450GPaであることが特に好ましい。また、引張強度は、2000~10000MPaであることが好ましく、3000~8000MPaであることがより好ましい。炭素繊維の直径は、4~20μmが好ましく、5~10μmがより好ましい。このような炭素繊維を用いることにより、得られる繊維強化複合材料の機械的性質を向上できる。 When PAN-based carbon fiber is used as the reinforcing fiber, its tensile modulus is preferably 100 to 600 GPa, more preferably 200 to 500 GPa, and particularly preferably 230 to 450 GPa. Also, the tensile strength is preferably 2000 to 10000 MPa, more preferably 3000 to 8000 MPa. The diameter of the carbon fiber is preferably 4-20 μm, more preferably 5-10 μm. By using such carbon fibers, the mechanical properties of the resulting fiber-reinforced composite material can be improved.
強化繊維はシート状に形成して用いることが好ましい。強化繊維シートとしては、例えば、多数本の強化繊維を一方向に引き揃えたシートや、平織や綾織などの二方向織物、多軸織物、不織布、マット、ニット、組紐、強化繊維を抄紙した紙を挙げることができる。これらの中でも、強化繊維を連続繊維としてシート状に形成した一方向引揃えシートや二方向織物、多軸織物基材を用いると、より機械物性に優れた繊維強化複合材料が得られるため好ましい。シート状の強化繊維基材の厚さは、0.01~3mmが好ましく、0.1~1.5mmがより好ましい。また、シート状の強化繊維基材の目付は、5~3000g/m2が好ましい。 It is preferable to form the reinforcing fiber into a sheet for use. Examples of reinforcing fiber sheets include sheets in which a large number of reinforcing fibers are aligned in one direction, bidirectional woven fabrics such as plain weaves and twill weaves, multiaxial woven fabrics, nonwoven fabrics, mats, knits, braids, and paper made from reinforced fibers. can be mentioned. Among these, it is preferable to use a unidirectional aligning sheet, a bidirectional woven fabric, or a multiaxial woven fabric base material in which reinforcing fibers are formed into a sheet form as continuous fibers, since a fiber-reinforced composite material with more excellent mechanical properties can be obtained. The thickness of the sheet-like reinforcing fiber base material is preferably 0.01 to 3 mm, more preferably 0.1 to 1.5 mm. Further, the basis weight of the sheet-like reinforcing fiber base material is preferably 5 to 3000 g/m 2 .
(1-2)樹脂含浸繊維層(I)を構成する熱硬化性樹脂組成物
本発明において、樹脂含浸繊維層(I)を構成する熱硬化性樹脂組成物は、特に制限はなく、耐熱性及び機械物性の観点から、熱により架橋反応が進行して、少なくとも部分的に三次元架橋構造を形成する熱硬化性樹脂を含むことが好ましい。
(1-2) Thermosetting resin composition constituting resin-impregnated fiber layer (I) In the present invention, the thermosetting resin composition constituting the resin-impregnated fiber layer (I) is not particularly limited and is heat resistant. And from the viewpoint of mechanical properties, it is preferable to include a thermosetting resin that undergoes a cross-linking reaction by heat and at least partially forms a three-dimensional cross-linked structure.
かかる熱硬化性樹脂としては、例えば、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂、ベンゾオキサジン樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂及びポリイミド樹脂等が挙げられる。更に、これらの変性体及び2種類以上のブレンド樹脂なども用いることもできる。これらの熱硬化性樹脂は、加熱により自己硬化するものであっても良いし、硬化剤や硬化促進剤などを配合することにより硬化する樹脂であっても良い。 Examples of such thermosetting resins include unsaturated polyester resins, vinyl ester resins, epoxy resins, bismaleimide resins, benzoxazine resins, phenol resins, urea resins, melamine resins and polyimide resins. Furthermore, these modified bodies and blended resins of two or more kinds can also be used. These thermosetting resins may be self-hardening by heating, or may be resins that harden by adding a curing agent or a curing accelerator.
これらの熱硬化性樹脂の中でも、耐熱性、力学特性及び炭素繊維との接着性のバランスに優れているエポキシ樹脂やビスマレイミド樹脂が好ましく、力学特性の面からはエポキシ樹脂がより好ましく、耐熱性の面からはビスマレイミド樹脂がより好ましい。 Among these thermosetting resins, epoxy resins and bismaleimide resins are preferable because they have an excellent balance of heat resistance, mechanical properties, and adhesion to carbon fibers. Epoxy resins are more preferable from the viewpoint of mechanical properties. Bismaleimide resin is more preferable from the viewpoint of
エポキシ樹脂としては、特に制限はないが、例えばビスフェノール型エポキシ樹脂、アルコール型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ヒドロフタル酸型エポキシ樹脂、ダイマー酸型エポキシ樹脂、脂環型エポキシ樹脂のような2官能エポキシ樹脂;テトラキス(グリシジルオキシフェニル)エタン、トリス(グリシジルオキシフェニル)メタンのようなグリシジルエーテル型エポキシ樹脂;テトラグリシジルジアミノジフェニルメタンのようなグリシジルアミン型エポキシ樹脂やナフタレン型エポキシ樹脂;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のようなノボラック型エポキシ樹脂が挙げられる。 Epoxy resins are not particularly limited, but bifunctional epoxies such as bisphenol type epoxy resins, alcohol type epoxy resins, biphenyl type epoxy resins, hydrophthalic acid type epoxy resins, dimer acid type epoxy resins, and alicyclic type epoxy resins can be used. Resins; glycidyl ether type epoxy resins such as tetrakis(glycidyloxyphenyl)ethane and tris(glycidyloxyphenyl)methane; glycidylamine type epoxy resins and naphthalene type epoxy resins such as tetraglycidyldiaminodiphenylmethane; phenol novolac type epoxy resins; Novolac type epoxy resins such as cresol novolak type epoxy resins are included.
更には、フェノール型エポキシ樹脂などの多官能エポキシ樹脂等が挙げられる。また更に、ウレタン変性エポキシ樹脂、ゴム変性エポキシ樹脂などの各種変性エポキシ樹脂も用いることができる。 Further examples include polyfunctional epoxy resins such as phenol type epoxy resins. Furthermore, various modified epoxy resins such as urethane-modified epoxy resins and rubber-modified epoxy resins can also be used.
中でも、分子内に芳香族基を有するエポキシ樹脂を用いることが好ましく、グリシジルアミン構造、グリシジルエーテル構造の何れかを有するエポキシ樹脂がより好ましい。また、脂環族エポキシ樹脂も好適に用いることができる。 Among them, it is preferable to use an epoxy resin having an aromatic group in the molecule, and an epoxy resin having either a glycidylamine structure or a glycidyl ether structure is more preferable. Alicyclic epoxy resins can also be suitably used.
グリシジルアミン構造を有するエポキシ樹脂としては、N,N,N’,N’-テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン、N,N,O-トリグリシジル-p-アミノフェノール、N,N,O-トリグリシジル-m-アミノフェノール、N,N,O-トリグリシジル-3-メチル-4-アミノフェノール、トリグリシジルアミノクレゾールの各種異性体などが例示される。 Examples of epoxy resins having a glycidylamine structure include N,N,N',N'-tetraglycidyldiaminodiphenylmethane, N,N,O-triglycidyl-p-aminophenol, N,N,O-triglycidyl-m- Examples include various isomers of aminophenol, N,N,O-triglycidyl-3-methyl-4-aminophenol, and triglycidylaminocresol.
グリシジルエーテル構造を有する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F型エポキシ樹脂、ビスフェノールS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が例示される。 Examples of epoxy resins having a glycidyl ether structure include bisphenol A-type epoxy resins, bisphenol F-type epoxy resins, bisphenol S-type epoxy resins, phenol novolac-type epoxy resins, and cresol novolak-type epoxy resins.
これらのエポキシ樹脂は、必要に応じて、芳香族環構造などに非反応性置換基を有していても良い。非反応性置換基としては、メチル、エチル、イソプロピルなどのアルキル基、フェニルなどの芳香族基、アルコキシル基、アラルキル基、塩素や臭素などのハロゲン基などが例示される。 These epoxy resins may optionally have a non-reactive substituent on the aromatic ring structure or the like. Examples of non-reactive substituents include alkyl groups such as methyl, ethyl and isopropyl, aromatic groups such as phenyl, alkoxyl groups, aralkyl groups, and halogen groups such as chlorine and bromine.
これらのエポキシ樹脂は、1種あるいは2種以上を混合して用いても良い。 These epoxy resins may be used singly or in combination of two or more.
樹脂含浸繊維層(I)を構成する熱硬化性樹脂組成物には、必要に応じて硬化性樹脂を硬化させる硬化剤が配合されていてもよい。硬化剤としては、硬化性樹脂を硬化させる公知の硬化剤が用いられる。例えば、硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を用いる場合に使用される硬化剤としては、ジシアンジアミド、芳香族アミン系硬化剤の各種異性体、アミノ安息香酸エステル類が挙げられる。ジシアンジアミドは、プリプレグの保存安定性に優れるため好ましい。また、4,4’-ジアミノジフェニルスルホン、3,3’-ジアミノジフェニルスルホン、4,4’-ジアミノジフェニルメタン等の芳香族ジアミン化合物及びそれらの非反応性置換基を有する誘導体は、耐熱性の良好な硬化物を与えるという観点から特に好ましい。ここで、非反応性置換基は、エポキシ樹脂の説明において述べた非反応性置換基と同様である。 The thermosetting resin composition constituting the resin-impregnated fiber layer (I) may optionally contain a curing agent for curing the curable resin. A known curing agent that cures a curable resin is used as the curing agent. For example, when an epoxy resin is used as the curable resin, curing agents used include dicyandiamide, various isomers of aromatic amine curing agents, and aminobenzoic acid esters. Dicyandiamide is preferable because it is excellent in storage stability of the prepreg. In addition, aromatic diamine compounds such as 4,4'-diaminodiphenylsulfone, 3,3'-diaminodiphenylsulfone, 4,4'-diaminodiphenylmethane and their derivatives having non-reactive substituents have good heat resistance. It is particularly preferred from the viewpoint of giving a good cured product. Here, the non-reactive substituent is the same as the non-reactive substituent described in the explanation of the epoxy resin.
アミノ安息香酸エステル類としては、トリメチレングリコールジ-p-アミノベンゾエートやネオペンチルグリコールジ-p-アミノベンゾエートが好ましく用いられる。これらを用いて硬化させた複合材料は、ジアミノジフェニルスルホンの各種異性体と比較して耐熱性は劣るが、引張伸度に優れる。そのため、複合材料の用途に応じて、使用する硬化剤の種類は適宜選択される。 Preferred aminobenzoic acid esters include trimethylene glycol di-p-aminobenzoate and neopentyl glycol di-p-aminobenzoate. Composite materials cured using these are inferior in heat resistance to various isomers of diaminodiphenylsulfone, but are excellent in tensile elongation. Therefore, the type of curing agent to be used is appropriately selected according to the application of the composite material.
熱硬化性樹脂組成物に含まれる硬化剤の量は、少なくともプリプレグに配合されている硬化性樹脂を硬化させるのに適する量である。硬化剤の量は、用いる硬化性樹脂及び硬化剤の種類に応じて適宜調節すればよい。硬化剤の量は、硬化剤・硬化促進剤の有無と添加量、硬化性樹脂との化学反応量論及び組成物の硬化速度などを考慮して、適宜調整する。プリプレグに含まれる硬化性樹脂100質量部に対して、硬化剤を30~100質量部配合することが好ましく、30~70質量部配合することがより好ましい。 The amount of the curing agent contained in the thermosetting resin composition is at least an amount suitable for curing the curable resin compounded in the prepreg. The amount of curing agent may be appropriately adjusted according to the type of curable resin and curing agent used. The amount of the curing agent is appropriately adjusted in consideration of the presence or absence and addition amount of the curing agent/curing accelerator, the stoichiometry of chemical reaction with the curable resin, the curing rate of the composition, and the like. It is preferable to blend 30 to 100 parts by mass, more preferably 30 to 70 parts by mass, of the curing agent with respect to 100 parts by mass of the curable resin contained in the prepreg.
熱硬化性樹脂組成物として、低粘度の硬化性樹脂が用いられる場合、熱硬化性樹脂組成物に適切な粘度を与えるために、熱可塑性樹脂が配合されていても良い。この熱硬化性樹脂組成物に粘度調節のために配合する熱可塑性樹脂には、最終的に得られる繊維強化複合材料の耐衝撃性を向上させる効果もある。 When a low-viscosity curable resin is used as the thermosetting resin composition, a thermoplastic resin may be blended in order to give the thermosetting resin composition an appropriate viscosity. The thermoplastic resin blended in this thermosetting resin composition for viscosity adjustment also has the effect of improving the impact resistance of the finally obtained fiber-reinforced composite material.
熱硬化性樹脂組成物に配合される上記熱可塑性樹脂の量は、熱硬化性樹脂組成物に用いられる硬化性樹脂の種類に応じて異なり、熱硬化性樹脂組成物の粘度が後述する適切な値になるように適宜調節すればよい。通常、熱硬化性樹脂組成物に含まれる硬化性樹脂100質量部に対して、熱可塑性樹脂が5~100質量部配合されることが好ましい。熱硬化性樹脂組成物の好ましい粘度は、80℃におけるその最低粘度が10~450Poiseであり、より好ましくは最低粘度が50~400Poiseである。 The amount of the thermoplastic resin to be blended in the thermosetting resin composition varies depending on the type of curable resin used in the thermosetting resin composition, and the viscosity of the thermosetting resin composition is adjusted to the appropriate amount described later. It should be adjusted appropriately so that the values are the same. Generally, it is preferable to blend 5 to 100 parts by mass of the thermoplastic resin with respect to 100 parts by mass of the curable resin contained in the thermosetting resin composition. The thermosetting resin composition preferably has a minimum viscosity of 10 to 450 Poise at 80° C., more preferably 50 to 400 Poise.
本発明において、熱硬化性樹脂組成物は、上記成分以外に、本発明の目的・効果を阻害しない限り、必要に応じて、適宜、酸無水物、ルイス酸、ジシアンジアミド(DICY)やイミダゾール類のような塩基性硬化剤、尿素化合物、有機金属塩、硬化促進剤、反応希釈剤、充填剤、酸化防止剤、難燃剤、顔料、導電材、紫外線吸収剤、紫外線反射材、揺変剤、フィラーなどの各種添加剤を含むことができる。
In the present invention, the thermosetting resin composition contains, in addition to the above components, an acid anhydride, a Lewis acid, dicyandiamide (DICY) and imidazoles, if necessary, as long as the objects and effects of the present invention are not impaired. Basic curing agents such as urea compounds, organic metal salts, curing accelerators, reaction diluents, fillers, antioxidants, flame retardants, pigments, conductive materials, UV absorbers, UV reflectors, thixotropic agents, fillers Various additives such as can be included.
(2)粒子含有樹脂層(II)
粒子含有樹脂層(II)は、粒子状物質を含む粒子含有樹脂組成物から成る。
(2) Particle-containing resin layer (II)
The particle-containing resin layer (II) is made of a particle-containing resin composition containing particulate matter.
粒子含有樹脂層(II)の厚みは10~50μmであることが好ましく、15~40μmであることがより好ましい。10μm未満である場合、耐衝撃性を十分に向上させることが困難となる場合がある。50μmを超える場合、プリプレグの樹脂含有率が低下したり、ドレープ性が低下したりする場合がある。 The thickness of the particle-containing resin layer (II) is preferably 10-50 μm, more preferably 15-40 μm. If it is less than 10 μm, it may be difficult to sufficiently improve the impact resistance. If it exceeds 50 μm, the resin content of the prepreg may decrease, and drape properties may decrease.
粒子含有樹脂層(II)に含まれる粒子状物質の平均粒子径は、1~50μmであることも好ましく、5~40μmであることがより好ましく、10~30μmであることがさらに好ましい。 The average particle size of the particulate matter contained in the particle-containing resin layer (II) is also preferably 1 to 50 μm, more preferably 5 to 40 μm, even more preferably 10 to 30 μm.
粒子含有樹脂層(II)に含まれる粒子状物質のレーザー回折法により測定される平均粒子径は、平均繊維間距離(d)に対して2~1400倍であることが好ましく、5~125倍であることがより好ましい。この範囲の平均粒子径を有する粒子状物質は、樹脂組成物に混合して強化繊維基材内に含浸させる際に、強化繊維基材を形成する強化繊維の単繊維間に入り込み難い。そのため、強化繊維基材の表面に残留する。したがって、この範囲の平均粒子径を有する粒子状物質を含む樹脂組成物を、強化繊維基材内に含浸させることで、粒子状物質を強化繊維基材の表面に配置することができる。2倍未満の場合、強化繊維基材内に粒子状物質が埋没し易い。一方、粒子状物質の粒子径が大きいほど、単位質量当たりの表面積が小さくなる。そのため、高い耐衝撃性向上効果を期待する場合、粒子状物質の平均粒子径は、平均繊維間距離(d)に対して1400倍以下であることが好ましい。 The average particle diameter of the particulate matter contained in the particle-containing resin layer (II) measured by laser diffraction is preferably 2 to 1400 times the average inter-fiber distance (d), preferably 5 to 125 times. is more preferable. Particulate matter having an average particle size within this range does not easily enter between the single fibers of the reinforcing fibers forming the reinforcing fiber base material when mixed with the resin composition and impregnated into the reinforcing fiber base material. Therefore, it remains on the surface of the reinforcing fiber base material. Therefore, by impregnating the reinforcing fiber substrate with a resin composition containing particulate matter having an average particle size within this range, the particulate matter can be arranged on the surface of the reinforcing fiber substrate. If it is less than 2 times, the particulate matter tends to be buried in the reinforcing fiber base material. On the other hand, the larger the particle diameter of the particulate matter, the smaller the surface area per unit mass. Therefore, when a high effect of improving impact resistance is expected, the average particle diameter of the particulate matter is preferably 1400 times or less the average inter-fiber distance (d).
(2-1)粒子含有樹脂層(II)を構成する粒子含有樹脂組成物
本発明において、粒子含有樹脂層(II)を構成する粒子含有樹脂組成物は、上記の熱硬化性樹脂組成物に粒子状物質を含有して成る。粒子状物質としては、繊維強化複合材料に付与する特性に応じて適宜選択されるが、例えば以下に説明する物質が用いられる。
(2-1) Particle-containing resin composition constituting particle-containing resin layer (II) In the present invention, the particle-containing resin composition constituting the particle-containing resin layer (II) is the thermosetting resin composition described above. It contains particulate matter. The particulate matter is appropriately selected depending on the properties to be imparted to the fiber-reinforced composite material, and for example, the following substances are used.
本発明で用いられる粒子状物質としては、熱可塑性樹脂粒子、熱硬化性樹脂粒子、エラストマ粒子、無機粒子、黒鉛粒子、金属粒子などが挙げられる。熱可塑性樹脂としては、マトリクス樹脂に溶解しない熱可塑性樹脂である場合にはマトリクス樹脂との接着性に優れる熱可塑性樹脂が、マトリクス樹脂に溶解する熱可塑性樹脂である場合はマトリクス樹脂に相溶する特性を有する熱可塑性樹脂が、繊維層の靭性向上の観点で好ましい。 The particulate matter used in the present invention includes thermoplastic resin particles, thermosetting resin particles, elastomer particles, inorganic particles, graphite particles, metal particles and the like. As the thermoplastic resin, if it is a thermoplastic resin that does not dissolve in the matrix resin, it has excellent adhesiveness to the matrix resin, and if it is a thermoplastic resin that dissolves in the matrix resin, it is compatible with the matrix resin. A thermoplastic resin having specific properties is preferable from the viewpoint of improving the toughness of the fiber layer.
熱可塑性樹脂粒子としては、ポリアミド、ポリアセタール、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリエステル、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルニトリル、ポリベンズイミダゾール、ポリエーテルスルホン、ポリスルホン、ポリエーテルイミド、ポリカーボネート等の粒子が例示される。これらの中でも、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテルイミドは、靭性及び耐熱性が高いため好ましい。これらの熱可塑性樹脂粒子は、単独で用いてもよいし、2種以上を併用しても良い。また、上記の熱可塑性樹脂を共重合した共重合体の粒子を用いても良い。 Thermoplastic resin particles include polyamide, polyacetal, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyester, polyamideimide, polyimide, polyetherketone, polyetheretherketone, polyethylenenaphthalate, polyethernitrile, polybenzimidazole, polyethersulfone, polysulfone. , polyetherimide, and polycarbonate particles. Among these, polyamide, polyamideimide, polyimide, and polyetherimide are preferred because of their high toughness and heat resistance. These thermoplastic resin particles may be used alone or in combination of two or more. Copolymer particles obtained by copolymerizing the above thermoplastic resins may also be used.
また、熱可塑性樹脂粒子としては、特に制限はないが、繊維強化複合材料を成形する温度又はそれ以下の温度において、マトリクス樹脂に実質的に溶解しないマトリクス樹脂不溶性熱可塑性樹脂からなる粒子が好ましい。マトリクス樹脂に実質的に溶解しないとは、繊維強化複合材料を成形する温度において、樹脂粒子をマトリクス樹脂中に投入して攪拌した際に、粒子の大きさが変化しない熱可塑性樹脂をいい、具体的には、マトリクス樹脂100質量部に対して、平均粒子径が10~50μmの熱可塑性樹脂10質量部を混合して200℃で1時間撹拌した際に、粒子の大きさが10%以上変化しない熱可塑性樹脂をいう。なお、一般的に、繊維強化複合材料を成形する温度は100~200℃である。また、粒子径は、顕微鏡によって目視で測定され、平均粒子径とは、無作為に選択した100個の粒子の粒子径の平均値を意味する。
マトリクス樹脂としてエポキシ樹脂を用いる場合、マトリクス樹脂不溶性熱可塑性樹脂としては、ポリアミド、ポリアセタール、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリエステル、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルニトリル、ポリベンズイミダゾールが例示される。これらの中でも、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリイミドは、靭性及び耐熱性が高いため好ましい。ポリアミドやポリイミドは、繊維強化複合材料に対する靭性向上効果が特に優れている。これらは、単独で用いてもよいし、2種以上を併用しても良い。また、これらの共重合体を用いることもできる。
The thermoplastic resin particles are not particularly limited, but particles made of a matrix resin-insoluble thermoplastic resin that does not substantially dissolve in the matrix resin at or below the temperature at which the fiber-reinforced composite material is molded are preferred. The term “substantially insoluble in the matrix resin” refers to a thermoplastic resin that does not change in particle size when the resin particles are added to the matrix resin and stirred at the temperature at which the fiber-reinforced composite material is molded. Specifically, when 10 parts by mass of a thermoplastic resin having an average particle size of 10 to 50 μm is mixed with 100 parts by mass of a matrix resin and stirred at 200° C. for 1 hour, the particle size changes by 10% or more. A thermoplastic resin that does not Incidentally, the temperature for molding the fiber-reinforced composite material is generally 100 to 200°C. Moreover, the particle size is visually measured with a microscope, and the average particle size means the average value of the particle sizes of 100 randomly selected particles.
When an epoxy resin is used as the matrix resin, the matrix resin-insoluble thermoplastic resin includes polyamide, polyacetal, polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyester, polyamideimide, polyimide, polyetherketone, polyetheretherketone, polyethylene naphthalate, polyether. Nitriles and polybenzimidazoles are exemplified. Among these, polyamide, polyamideimide, and polyimide are preferred because of their high toughness and heat resistance. Polyamide and polyimide are particularly effective in improving the toughness of fiber-reinforced composite materials. These may be used alone or in combination of two or more. Copolymers of these can also be used.
特に、非晶性ポリイミドや、ポリアミド6(カプロラクタムの開環重縮合反応により得られるポリアミド)、ポリアミド12(ラウリルラクタムの開環重縮合反応により得られるポリアミド)などの結晶性ポリアミド、非晶性ポリアミドを使用することにより、得られる繊維強化複合材料の耐熱性を特に向上させることができる。 In particular, amorphous polyimides, crystalline polyamides such as polyamide 6 (polyamide obtained by ring-opening polycondensation reaction of caprolactam), polyamide 12 (polyamide obtained by ring-opening polycondensation reaction of lauryllactam), and amorphous polyamides By using, the heat resistance of the resulting fiber-reinforced composite material can be particularly improved.
熱硬化性樹脂粒子としては、例えば、エポキシ樹脂粒子、ビニルエステル樹脂粒子、アクリル樹脂粒子、フェノール樹脂粒子、マレイミド樹脂粒子が挙げられる。 Examples of thermosetting resin particles include epoxy resin particles, vinyl ester resin particles, acrylic resin particles, phenol resin particles, and maleimide resin particles.
エラストマ粒子としては、熱硬化性エラストマ粒子、熱可塑性エラストマ粒子が挙げられる。熱可塑性エラストマ粒子が繊維層の靭性も向上させ易いため好ましい。熱可塑性エラストマ粒子としては、ポリスチレン系エラストマ、ポリオレフィン系エラストマ、塩化ビニル系エラストマ、ポリウレタン系エラストマ、ポリエステル系エラストマ、ポリアミド系エラストマ、ポリブタジエン系エラストマなどの粒子が挙げられる。 Elastomer particles include thermosetting elastomer particles and thermoplastic elastomer particles. Thermoplastic elastomer particles are preferred because they tend to improve the toughness of the fiber layer. Examples of thermoplastic elastomer particles include particles of polystyrene-based elastomers, polyolefin-based elastomers, vinyl chloride-based elastomers, polyurethane-based elastomers, polyester-based elastomers, polyamide-based elastomers, polybutadiene-based elastomers, and the like.
無機粒子としては、金属酸化物粒子、鉱物粒子などが挙げられる。金属酸化物としては、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化インジウム、酸化アルミニウム、酸化アンチモン、酸化セリウム、酸化マグネシウム、酸化鉄、スズドープ酸化インジウム(ITO)、アンチモンドープ酸化錫、フッ素ドープ酸化スズなどが挙げられる。鉱物としては、モンモリロナイト、タルク、マイカ、ベーマイト、カオリン、スメクタイト、ゾノライト、バーキュライト、セリサイトなどの粘土鉱物が挙げられる。金属粒子としては、金、銀、銅、白金、ニッケル、亜鉛、アルミニウム、鉄、スズ、鉛等が挙げられる。特に好ましいのは金、銀、銅、白金、ニッケルである。 Examples of inorganic particles include metal oxide particles and mineral particles. Metal oxides include silicon oxide, titanium oxide, zirconium oxide, zinc oxide, tin oxide, indium oxide, aluminum oxide, antimony oxide, cerium oxide, magnesium oxide, iron oxide, tin-doped indium oxide (ITO), and antimony-doped tin oxide. , fluorine-doped tin oxide, and the like. Minerals include clay minerals such as montmorillonite, talc, mica, boehmite, kaolin, smectite, xonolite, verculite, and sericite. Metal particles include gold, silver, copper, platinum, nickel, zinc, aluminum, iron, tin, lead, and the like. Gold, silver, copper, platinum and nickel are particularly preferred.
これらの粒子は、単独で用いてもよいし、2種以上を併用しても良い。 These particles may be used alone or in combination of two or more.
粒子状物質の形状は特に制限はなく、球状、多角柱状、立方体状、棒状、繊維状等の一定の形状を有する粒子、破砕物の様に特定の形状を持たない不定形粒子等の任意の形状が採用できる。これらの中でも、球状、不定形状、繊維状であることが好ましく、球状であることがより好ましい。 The shape of the particulate matter is not particularly limited, and may be particles having a fixed shape such as spherical, polygonal prismatic, cubic, rod-like, or fibrous, or irregular particles having no specific shape such as crushed matter. shape can be adopted. Among these, spherical, amorphous, and fibrous are preferred, and spherical is more preferred.
樹脂含浸繊維層(I)に含まれる熱硬化性樹脂組成物の組成と、粒子含有樹脂層(II)に含まれる熱硬化性樹脂組成物の組成とは、粒子状物質の有無を除いて同一であることが好ましい。
The composition of the thermosetting resin composition contained in the resin-impregnated fiber layer (I) and the composition of the thermosetting resin composition contained in the particle-containing resin layer (II) are the same except for the presence or absence of particulate matter. is preferably
(3)樹脂被覆層(III)
樹脂被覆層(III)は、熱硬化性樹脂組成物から成る。
(3) Resin coating layer (III)
The resin coating layer (III) is made of a thermosetting resin composition.
樹脂被覆層(III)の厚みは4~15μmであることが好ましく、5~10μmであることがより好ましい。5μm未満である場合、プリプレグのタック性が低下し易い。また、加圧成形時に粒子含有樹脂層(II)に含まれる粒子状物質が変形し易くなる。さらには、樹脂含浸繊維層(I)を構成する強化繊維基材が変形して、繊維間距離が小さくなり易くなる。10μmを超える場合、プリプレグのドレープ性が低下し易くなる。 The thickness of the resin coating layer (III) is preferably 4-15 μm, more preferably 5-10 μm. If it is less than 5 μm, the tackiness of the prepreg tends to deteriorate. In addition, the particulate matter contained in the particle-containing resin layer (II) is easily deformed during pressure molding. Furthermore, the reinforcing fiber base material constituting the resin-impregnated fiber layer (I) is likely to be deformed and the inter-fiber distance is likely to be reduced. If it exceeds 10 μm, the drapeability of the prepreg tends to deteriorate.
(3-1) 樹脂被覆層(III)を構成する熱硬化性樹脂組成物
樹脂被覆層(III)を構成する熱硬化性樹脂組成物は、熱硬化性樹脂と、該熱硬化性樹脂100質量部に対して10~50質量部の熱可塑性樹脂と、を含む樹脂組成物であることが好ましい。樹脂被覆層(III)を構成する熱硬化性樹脂組成物に含まれる各成分は、上述の成分と同一のものを用いることができる。
(3-1) Thermosetting resin composition constituting the resin coating layer (III) The thermosetting resin composition constituting the resin coating layer (III) is a thermosetting resin and 100 mass of the thermosetting resin. It is preferable that the resin composition contains 10 to 50 parts by mass of a thermoplastic resin per part. The components contained in the thermosetting resin composition constituting the resin coating layer (III) may be the same as the components described above.
熱可塑性樹脂は、樹脂被覆層(III)を改質してタック性を向上させる。また、粒子含有樹脂層(II)に含まれる粒子状物質がプリプレグの表面に移動することを抑制する。
熱可塑性樹脂の含有量が10質量部未満である場合、プリプレグのタック性を向上する効果が小さい。また、樹脂被覆層(III)が低粘度となるため、粒子含有樹脂層(II)に含まれる粒子状物質がプリプレグの表面に移動し、プリプレグのタック性を低下させる場合がある。50質量部を超える場合、プリプレグのドレープ性が低下し易い。
熱可塑性樹脂の含有量の下限値は、15質量部であることが好ましく、20質量部であることがより好ましい。熱可塑性樹脂の含有量の上限値は、40質量部であることが好ましく、35質量部であることがより好ましい。
The thermoplastic resin modifies the resin coating layer (III) to improve tackiness. In addition, it suppresses migration of the particulate matter contained in the particle-containing resin layer (II) to the surface of the prepreg.
If the content of the thermoplastic resin is less than 10 parts by mass, the effect of improving the tackiness of the prepreg is small. In addition, since the resin coating layer (III) has a low viscosity, the particulate matter contained in the particle-containing resin layer (II) may migrate to the surface of the prepreg and reduce the tackiness of the prepreg. If it exceeds 50 parts by mass, the drapeability of the prepreg tends to deteriorate.
The lower limit of the content of the thermoplastic resin is preferably 15 parts by mass, more preferably 20 parts by mass. The upper limit of the content of the thermoplastic resin is preferably 40 parts by mass, more preferably 35 parts by mass.
樹脂被覆層(III)を構成する樹脂組成物の100℃における粘度は、1~1000Pa・sであることが好ましく、10~500Pa・sであることがより好ましい。1Pa・s未満である場合、樹脂凝集力が弱いためプリプレグを剥離紙から剥がすときに、樹脂が剥離紙上に残りやすく、作業性が悪くなる。1000Pa・sを超える場合、樹脂粘度が高いため、タック性が低下する。
The viscosity at 100° C. of the resin composition constituting the resin coating layer (III) is preferably 1 to 1000 Pa·s, more preferably 10 to 500 Pa·s. If it is less than 1 Pa·s, the cohesive force of the resin is weak, so when the prepreg is peeled off from the release paper, the resin tends to remain on the release paper, resulting in poor workability. If it exceeds 1000 Pa·s, the tackiness is lowered due to the high resin viscosity.
2. プリプレグの製造方法
本発明のプリプレグの製造方法は、ホットメルト法により製造される。ホットメルト法は、離型紙の上に、樹脂組成物を薄いフィルム状に塗布して樹脂フィルムを形成し、次いで、該樹脂フィルムを離型紙から剥離して強化繊維基材に積層した後、加圧加熱することにより、樹脂組成物を強化繊維基材内に含浸させる方法である。
2. Prepreg Production Method The prepreg production method of the present invention is produced by a hot-melt method. In the hot melt method, a resin composition is applied to a release paper in the form of a thin film to form a resin film, and then the resin film is peeled off from the release paper and laminated on a reinforcing fiber base material, followed by heating. This is a method of impregnating a reinforcing fiber base material with a resin composition by heating under pressure.
本発明のプリプレグは、強化繊維基材の片面又は両面に、粒子状物質を含む熱硬化性樹脂組成物から成る樹脂フィルム(A)を積重し、さらに樹脂被覆層(III)を構成する熱硬化性樹脂組成物から成る樹脂フィルム(B)を積重し、この樹脂フィルム(B)を介して樹脂フィルム(A)を強化繊維基材内に含浸することにより製造される。粒子状物質を含む熱硬化性樹脂組成物から成る樹脂フィルム(A)は、強化繊維基材に積層されて加圧加熱されることにより、粒子状物質が強化繊維基材の表面に配置される。即ち、樹脂フィルム(A)を構成する樹脂組成物のうち、粒子状物質を除く熱硬化性樹脂組成物が強化繊維基材内に含浸されて樹脂含浸繊維層(I)が強化繊維基材内に形成される。また、樹脂フィルム(A)を構成する樹脂組成物のうち、粒子状物質を含む熱硬化性樹脂組成物が強化繊維基材の表面に配置されて粒子含有樹脂層(II)が強化繊維基材の表面に形成される。さらに、粒子含有樹脂層(II)の表面には、樹脂フィルム(B)を構成する熱硬化性樹脂組成物から成る樹脂被覆層(III)が形成される。したがって、樹脂フィルム(A)は、含浸操作を経ることにより、樹脂含浸繊維層(I)及び粒子含有樹脂層(II)を形成する。
樹脂フィルム(A)の目付は20~45g/m2が好ましく、樹脂フィルム(B)の目付は2~15g/m2が好ましい。樹脂フィルム(A)と樹脂フィルム(B)の目付の比が2:1~9:1の範囲とすることが好ましい。フィルム目付をこの範囲とすることで、プリプレグの各層の厚み、平均繊維間距離を所望の範囲としやすい。
The prepreg of the present invention is prepared by laminating a resin film (A) made of a thermosetting resin composition containing particulate matter on one or both sides of a reinforcing fiber base material, and further comprising a resin coating layer (III). It is produced by stacking resin films (B) made of a curable resin composition and impregnating the reinforcing fiber substrate with the resin film (A) through the resin film (B). A resin film (A) made of a thermosetting resin composition containing particulate matter is laminated on a reinforcing fiber substrate and heated under pressure so that the particulate matter is arranged on the surface of the reinforcing fiber substrate. . That is, of the resin composition constituting the resin film (A), the thermosetting resin composition excluding particulate matter is impregnated into the reinforcing fiber base material to form the resin-impregnated fiber layer (I) in the reinforcing fiber base material. formed in Further, among the resin compositions constituting the resin film (A), a thermosetting resin composition containing particulate matter is disposed on the surface of the reinforcing fiber base material, and the particle-containing resin layer (II) is formed on the reinforcing fiber base material. formed on the surface of Further, on the surface of the particle-containing resin layer (II), a resin coating layer (III) made of a thermosetting resin composition that constitutes the resin film (B) is formed. Therefore, the resin film (A) forms the resin-impregnated fiber layer (I) and the particle-containing resin layer (II) through the impregnation operation.
The basis weight of the resin film (A) is preferably 20 to 45 g/m 2 , and the basis weight of the resin film (B) is preferably 2 to 15 g/m 2 . It is preferable that the weight ratio between the resin film (A) and the resin film (B) is in the range of 2:1 to 9:1. By setting the film basis weight within this range, the thickness of each layer of the prepreg and the average inter-fiber distance can be easily set within the desired range.
図2は、本プリプレグの製造過程の一例を示す概略断面図である。なお、図中のハッチングは、樹脂を表す。図2(a)中、40は強化繊維基材層であり、41は強化繊維である。50は樹脂フィルム(A)であり、51は粒子状物質、53は熱硬化性樹脂組成物である。60は樹脂フィルム(B)であり、61は樹脂組成物である。樹脂フィルム(A)50は強化繊維基材40に積層され、樹脂フィルム(B)60は樹脂フィルム(A)50の表面に積層される(図2(b))。該積層後、樹脂フィルム(B)60を介して樹脂フィルム(A)50が強化繊維基材40内に加圧含浸され、本発明のプリプレグが製造される(図2(c))。
なお、樹脂フィルム(A)50が強化繊維基材40内に含浸された後に、その表面に樹脂フィルム(B)60を積層する製造方法は、本発明の製造方法ではない。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of the manufacturing process of this prepreg. In addition, hatching in the figure represents resin. In FIG. 2(a), 40 is a reinforcing fiber substrate layer, and 41 is a reinforcing fiber. 50 is a resin film (A), 51 is particulate matter, and 53 is a thermosetting resin composition. 60 is a resin film (B), and 61 is a resin composition. The resin film (A) 50 is laminated on the reinforcing
The manufacturing method of laminating the resin film (B) 60 on the surface of the reinforcing
各樹脂組成物の製造方法は、特に限定されるものではなく、従来公知のいずれの方法を用いてもよい。例えば、エポキシ樹脂を使用する場合は、樹脂組成物製造時に適用される混練温度としては、10~160℃の範囲が例示できる。160℃を超える場合は、エポキシ樹脂の熱劣化や、部分的に硬化反応が開始し、得られる樹脂組成物並びにそれを用いて製造されるプリプレグの保存安定性が低下する場合がある。10℃より低い場合は、エポキシ樹脂組成物の粘度が高く、実質的に混練が困難となる場合がある。好ましくは20~130℃であり、更に好ましくは30~110℃の範囲である。 The method for producing each resin composition is not particularly limited, and any conventionally known method may be used. For example, when an epoxy resin is used, the kneading temperature applied during the production of the resin composition can be exemplified in the range of 10 to 160°C. If the temperature exceeds 160°C, the epoxy resin may be thermally deteriorated or the curing reaction may partially start, and the storage stability of the obtained resin composition and the prepreg produced using the same may be deteriorated. If the temperature is lower than 10°C, the viscosity of the epoxy resin composition is high, and kneading may be substantially difficult. It is preferably 20 to 130°C, more preferably 30 to 110°C.
混練機械装置としては、従来公知のものを用いることができる。具体的な例としては、ロールミル、プラネタリーミキサー、ニーダー、エクストルーダー、バンバリーミキサー、攪拌翼を供えた混合容器、横型混合槽などが挙げられる。各成分の混練は、大気中又は不活性ガス雰囲気下で行うことができる。大気中で混練が行われる場合は、温度、湿度管理された雰囲気が好ましい。特に限定されるものではないが、例えば、30℃以下の一定温度に管理された温度や、相対湿度50%RH以下の低湿度雰囲気で混練することが好ましい。 A conventionally known kneading machine can be used as the kneading machine. Specific examples include roll mills, planetary mixers, kneaders, extruders, Banbury mixers, mixing vessels equipped with stirring blades, and horizontal mixing tanks. Kneading of each component can be performed in air or under an inert gas atmosphere. When kneading is performed in air, an atmosphere in which temperature and humidity are controlled is preferable. Although not particularly limited, for example, it is preferable to knead in a temperature controlled at a constant temperature of 30° C. or less or in a low-humidity atmosphere with a relative humidity of 50% RH or less.
各樹脂組成物を樹脂フィルムにする方法としては、特に限定されるものではなく、従来公知のいずれの方法を用いることもできる。具体的には、ダイ押し出し、アプリケーター、リバースロールコーター、コンマコーターなどを利用し、離型紙、フィルムなどの支持体上に樹脂組成物を流延、キャストをすることにより樹脂フィルムを製造することができる。フィルムを製造する際の樹脂組成物の温度は、樹脂組成や粘度に応じて適宜調整する。具体的には、前述の樹脂組成物の混練温度と同じ温度条件が好適に用いられる。含浸は1回ではなく、複数回に分けて任意の圧力と温度で、多段的に行うこともできる。 The method for forming each resin composition into a resin film is not particularly limited, and any conventionally known method can be used. Specifically, using a die extrusion, an applicator, a reverse roll coater, a comma coater, etc., a resin film can be produced by casting a resin composition onto a support such as a release paper or a film. can. The temperature of the resin composition when producing the film is appropriately adjusted according to the resin composition and viscosity. Specifically, the same temperature conditions as the kneading temperature of the resin composition described above are preferably used. The impregnation can be performed not only once but also in multiple steps at arbitrary pressures and temperatures.
樹脂フィルムを強化繊維基材内に含浸させる際の含浸圧力は、1~50(kN/cm)であり、5~30(kN/cm)であることが好ましい。この含浸圧力の範囲内で、樹脂フィルムを構成する樹脂組成物の粘度や樹脂フローなどを勘案し、適宜決定する。
なお、本発明のプリプレグは、樹脂被覆層(III)を有する。そのため、樹脂被覆層(III)を有さない従来のプリプレグと比較して、強化繊維基材内に含浸する樹脂組成物における粒子状物質の含有率が相対的に高くなる(粒子状物質の含有率及び樹脂の含有率がそれぞれ同一のプリプレグを作製する場合)。即ち、樹脂フィルム(A)中における粒子状物質の含有率は、プリプレグを構成する全樹脂に対する粒子状物質の含有率よりも高い。したがって、強化繊維基材内に含浸される樹脂組成物の粘度が高くなる傾向があるため、含浸圧力も高くなる傾向がある。含浸圧力が高くなると、含浸操作の際に強化繊維基材の繊維間距離が拡大し易くなる。本発明は、樹脂フィルム(A)を樹脂フィルム(B)を介して加圧するため、含浸圧力を高くしても含浸操作の際に強化繊維基材の繊維間距離が拡大し難い。
The impregnation pressure when impregnating the reinforcing fiber base material with the resin film is 1 to 50 (kN/cm), preferably 5 to 30 (kN/cm). Within this impregnation pressure range, the viscosity of the resin composition constituting the resin film, the resin flow, etc. are taken into account, and the pressure is appropriately determined.
The prepreg of the present invention has a resin coating layer (III). Therefore, compared to a conventional prepreg that does not have the resin coating layer (III), the content of particulate matter in the resin composition impregnated into the reinforcing fiber base material is relatively high (particulate matter content when producing prepregs with the same rate and resin content). That is, the content of particulate matter in the resin film (A) is higher than the content of particulate matter in the total resin constituting the prepreg. Therefore, the viscosity of the resin composition impregnated into the reinforcing fiber substrate tends to increase, and the impregnation pressure tends to increase. When the impregnation pressure becomes high, the inter-fiber distance of the reinforcing fiber substrate tends to increase during the impregnation operation. In the present invention, since the resin film (A) is pressurized through the resin film (B), even if the impregnation pressure is increased, the inter-fiber distance of the reinforcing fiber substrate is unlikely to expand during the impregnation operation.
樹脂フィルムを強化繊維基材内に含浸させる際の含浸温度は、その樹脂組成物の粘度や樹脂フローなどを勘案し、適宜決定する。
熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を用いる場合、含浸温度は50~150℃であることが好ましく、60~145℃であることがより好ましく、70~140℃であることが特に好ましい。
The impregnation temperature at which the resin film is impregnated into the reinforcing fiber base material is appropriately determined in consideration of the viscosity and resin flow of the resin composition.
When an epoxy resin is used as the thermosetting resin, the impregnation temperature is preferably 50 to 150.degree. C., more preferably 60 to 145.degree. C., and particularly preferably 70 to 140.degree.
樹脂フィルム(A)を構成する熱硬化性樹脂組成物の100℃における粘度は、10~1000Pa・sであることが好ましく、50~800Pa・sであることがより好ましく、100~600Pa・sであることが特に好ましい。10Pa・s未満である場合、プリプレグから樹脂が流出し易くなる。1000Pa・sを超える場合、プリプレグに未含浸部分が生じ易くなる。その結果、得られる繊維強化複合材料においてボイド等が形成され易くなる。 The viscosity at 100° C. of the thermosetting resin composition constituting the resin film (A) is preferably 10 to 1000 Pa s, more preferably 50 to 800 Pa s, and more preferably 100 to 600 Pa s. It is particularly preferred to have If it is less than 10 Pa·s, the resin tends to flow out from the prepreg. If it exceeds 1000 Pa·s, the prepreg tends to have non-impregnated portions. As a result, voids and the like are likely to be formed in the resulting fiber-reinforced composite material.
上記方法を用いて得られるプリプレグは、目的に応じて積層され、成形及び硬化されて繊維強化複合材料が製造される。
The prepreg obtained using the above method is laminated according to the purpose, molded and cured to produce a fiber-reinforced composite material.
3.繊維強化複合材料
本発明の繊維強化複合材料は、強化繊維基材内に熱硬化性樹脂が含浸されて成り、強化繊維基材の層間に粒子状物質が存在する繊維強化複合材料であって、強化繊維基材の任意の断面における繊維間距離の変動係数が15%以下であることを特徴とする。
強化繊維の繊維間距離の変動係数は、14%以下であることが好ましく、13%以下であることがより好ましい。15%を超える場合、繊維間距離のばらつきが大きく、このプリプレグを用いて作製する繊維強化複合材料は、強化繊維の各単繊維にかかる応力を均一に分散することができない。変動係数の下限値は小さいほど好ましいが、一般に0.1%以上である。
なお、強化繊維の繊維間距離の変動係数を小さくするには、繊維間距離の変動係数が小さい強化繊維基材を用いて、該繊維間距離をできるだけ変動させずに(特に、強化繊維基材の表面付近に局所的な変形を生じないように)繊維強化複合材料を作製することが求められる。このような繊維強化複合材料は、プリプレグの製造時の含浸工程において、強化繊維基材が変形されていない本発明のプリプレグを用いて製造することができる。
3. Fiber Reinforced Composite Material The fiber reinforced composite material of the present invention is a fiber reinforced composite material in which a reinforcing fiber base material is impregnated with a thermosetting resin and particulate matter is present between layers of the reinforcing fiber base material, The coefficient of variation of the distance between fibers in an arbitrary cross section of the reinforcing fiber base material is 15% or less.
The coefficient of variation of the inter-fiber distance of the reinforcing fibers is preferably 14% or less, more preferably 13% or less. If it exceeds 15%, the inter-fiber distance varies greatly, and the fiber-reinforced composite material produced using this prepreg cannot uniformly disperse the stress applied to each single fiber of the reinforcing fibers. Although the lower limit of the coefficient of variation is preferably as small as possible, it is generally 0.1% or more.
In order to reduce the variation coefficient of the inter-fiber distance of the reinforcing fibers, a reinforcing fiber base material having a small variation coefficient of the inter-fiber distance is used, and the inter-fiber distance is kept as small as possible (especially, the reinforcing fiber base material It is required to produce a fiber reinforced composite material so as not to cause local deformation near the surface of. Such a fiber-reinforced composite material can be produced using the prepreg of the present invention in which the reinforcing fiber base material is not deformed in the impregnation step during the production of the prepreg.
本発明の繊維強化複合材料は、樹脂含浸繊維層(I)中の強化繊維の平均繊維径(r2)と平均繊維間距離(d2)とは、下記式(2)
0.04 ≦ d2/r2 ≦ 0.25 ・・・式(2)
を満たすことが好ましい。ここで、下限値は0.08であることが好ましく、0.13であることがより好ましい。上限値は、0.24であることが好ましく、0.20であることがより好ましい。
0.04~0.25であれば、強化繊維基材の繊維間距離が適切な範囲内にあり、強化繊維の単繊維表面とマトリクス樹脂との接着面が多くなる。その結果、繊維強化複合材料に応力がかかった時に、マトリクス樹脂から伝達される応力を各単繊維に均一に分散することができる。0.04未満である場合、単繊維同士の接触が多く、強化繊維の各単繊維にかかる応力を均一に分散することができない。0.25を超える場合、単繊維同士の接触が多く、強化繊維の各単繊維にかかる応力を均一に分散することができない。
In the fiber-reinforced composite material of the present invention, the average fiber diameter (r 2 ) and the average inter-fiber distance (d 2 ) of the reinforcing fibers in the resin-impregnated fiber layer (I) are expressed by the following formula (2)
0.04≤d2/ r2≤0.25 Expression ( 2 )
is preferably satisfied. Here, the lower limit is preferably 0.08, more preferably 0.13. The upper limit is preferably 0.24, more preferably 0.20.
When it is 0.04 to 0.25, the inter-fiber distance of the reinforcing fiber base material is within an appropriate range, and the bonding surface between the single fiber surface of the reinforcing fiber and the matrix resin increases. As a result, when stress is applied to the fiber-reinforced composite material, the stress transmitted from the matrix resin can be uniformly distributed to each single fiber. If it is less than 0.04, the contact between the single fibers is large, and the stress applied to each single fiber of the reinforcing fibers cannot be uniformly dispersed. If it exceeds 0.25, the contact between the single fibers is large, and the stress applied to each single fiber of the reinforcing fibers cannot be uniformly distributed.
繊維強化複合材料における強化繊維の平均繊維間距離(d2)は、0.4~1.2μmであることが好ましく、0.65~1.0μmであることがより好ましい。 The average fiber-to-fiber distance (d 2 ) of the reinforcing fibers in the fiber-reinforced composite material is preferably 0.4 to 1.2 μm, more preferably 0.65 to 1.0 μm.
本発明の繊維強化複合材料における層間粒子の大きさや配合量、樹脂含有率は上記プリプレグにおいて説明したとおりである。 The size and amount of interlaminar particles and the resin content in the fiber-reinforced composite material of the present invention are as described for the prepreg.
本発明の繊維強化複合材料の製造方法は、特に限定されず、例えば、オートクレーブ成形、プレス成形、樹脂トランスファー成形、フィラメントワインディング成形が挙げられる。本発明の繊維強化複合材料は、本発明のプリプレグを用いて成形することが好ましい。
本発明のプリプレグを用いて本発明の繊維強化複合材料を成形する場合、プリプレグを目的に応じて積層して成形及び硬化させる。プリプレグの積層方法としては、例えば、マニュアルレイアップ、自動テープレイアップ(ATL)、自動繊維配置法などが挙げられる。
The method for producing the fiber-reinforced composite material of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include autoclave molding, press molding, resin transfer molding, and filament winding molding. The fiber-reinforced composite material of the present invention is preferably molded using the prepreg of the present invention.
When the prepreg of the present invention is used to mold the fiber-reinforced composite material of the present invention, the prepregs are layered according to the purpose and then molded and cured. Examples of prepreg lamination methods include manual layup, automated tape layup (ATL), and automated fiber placement.
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。本実施例、比較例において使用する成分や試験方法を以下に記載する。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail with reference to examples below, but the present invention is not limited to the examples. Components and test methods used in Examples and Comparative Examples are described below.
〔成分〕
(エポキシ樹脂)
・グリシジルアミン型エポキシ樹脂
ハンツマン・ジャパン株式会社製 「アラルダイト MY600」 (以下、MY600)
・グリシジルアミン型エポキシ樹脂
ハンツマン・ジャパン株式会社製 「アラルダイト MY721」 (以下、MY721)
(エポキシ樹脂硬化剤)
・芳香族アミン系硬化剤
3,3’-ジアミノジフェニルスルホン(小西化学工業株式会社製)(以下、3,3’-DDS)
(粒子状物質)
・ポリアミド12(エポキシ樹脂に不溶な熱可塑性樹脂)(ダイセル・エボニック社製 MSP-A6496(以下、PA12)
・ポリエーテルスルホン(エポキシ樹脂に可溶な熱可塑性樹脂)(以下、PES)
住友化学工業株式会社製 「PES-5003P」(平均粒子径15μm)
〔component〕
(Epoxy resin)
・ Glycidylamine type epoxy resin Huntsman Japan Co., Ltd. “Araldite MY600” (hereinafter, MY600)
・Glycidylamine type epoxy resin
"Araldite MY721" manufactured by Huntsman Japan Co., Ltd. (hereinafter referred to as MY721)
(epoxy resin curing agent)
- Aromatic amine curing agent 3,3'-diaminodiphenylsulfone (manufactured by Konishi Chemical Industry Co., Ltd.) (hereinafter referred to as 3,3'-DDS)
(particulate matter)
・ Polyamide 12 (thermoplastic resin insoluble in epoxy resin) (MSP-A6496 manufactured by Daicel-Evonik (hereinafter referred to as PA12)
・Polyethersulfone (thermoplastic resin soluble in epoxy resin) (hereafter, PES)
"PES-5003P" manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd. (average particle size 15 μm)
[評価方法]
(1)平均粒子径(レーザー回折法)
粒子状物質および熱可塑樹脂の平均粒子径は、レーザー回折・散乱式の粒度分析計(マイクロトラック法:MT3300(日機装株式会社製))を用いて、粒度分布の測定を実施し、その50%粒子径(D50)を平均粒子径とした。
[Evaluation method]
(1) Average particle size (laser diffraction method)
The average particle size of the particulate matter and thermoplastic resin is determined by measuring the particle size distribution using a laser diffraction/scattering particle size analyzer (Microtrac method: MT3300 (manufactured by Nikkiso Co., Ltd.)). The particle diameter ( D50 ) was defined as the average particle diameter.
(2)タック保持日数
プリプレグを100mm×100mmにカットし、温度25℃、相対湿度50%の恒温恒湿槽に保管後、プリプレグ同士を積層して貼り合わせる。その後、積層したプリプレグを垂直に立てたアルミ板に貼り付けて、積層したプリプレグが剥がれないか評価する。
(2) Tack Retention Days A prepreg was cut into 100 mm×100 mm pieces, stored in a thermo-hygrostat at a temperature of 25° C. and a relative humidity of 50%, and then the prepregs were laminated and pasted together. After that, the laminated prepreg is attached to an aluminum plate set up vertically, and whether or not the laminated prepreg is peeled off is evaluated.
(3)吸水率
プリプレグを100×100mmにカットし、質量(W1)を測定した。その後、デシケーター中でプリプレグを水中に沈めた。デシケーター内を、10kPa以下に減圧し、プリプレグ内部の空気と水を置換させた。プリプレグを水中から取り出し、表面の水を拭き取り、プリプレグの質量(W2)を測定した。これらの測定値から下記式
吸水率(%)=[(W2-W1)/W1]×100
W1:プリプレグの質量(g)
W2:吸水後のプリプレグの質量(g)
を用いて吸水率を算出した。
(3) Water Absorption A prepreg was cut to 100×100 mm, and the mass (W 1 ) was measured. After that, the prepreg was submerged in water in a desiccator. The pressure inside the desiccator was reduced to 10 kPa or less to replace the air and water inside the prepreg. The prepreg was taken out of the water, the surface water was wiped off, and the mass (W 2 ) of the prepreg was measured. From these measured values, the following formula Water absorption (%) = [(W 2 -W 1 )/W 1 ] × 100
W 1 : Mass of prepreg (g)
W 2 : Mass (g) of prepreg after water absorption
was used to calculate the water absorption.
(4)繊維間距離
測定試料は、オートクレーブ成形法を用いて製造した。即ち、プリプレグを100mm×100mmの大きさにカットし、積層し、積層構成[0]6の積層体を得た。この積層体を、通常のオートクレーブ成形法で成形した。成形条件は、圧力0.49MPaで、温度180℃で、120分間であった。得られた成形物を繊維軸の断面方向にカットし、レーザー顕微鏡(株式会社キーエンス製 VK-8710)を用いて、倍率100倍(視野の大きさ:106μm×142μm)にて樹脂層が視野に入らないように、繊維層を中心に撮影した。その後、旭化成エンジニアリング株式会社の提供する画像解析ソフト(A像くん(商品名))を用いて各繊維間の壁間距離を測定し、繊維間距離及びその変動係数を求めた。
(4) Distance between fibers Measurement samples were produced using an autoclave molding method. That is, the prepreg was cut into a size of 100 mm×100 mm and laminated to obtain a laminate having a laminate structure of [0] 6 . This laminate was molded by a normal autoclave molding method. The molding conditions were a pressure of 0.49 MPa, a temperature of 180° C., and 120 minutes. The resulting molded product was cut in the cross-sectional direction of the fiber axis, and the resin layer was observed at a magnification of 100 times (field size: 106 μm × 142 μm) using a laser microscope (manufactured by Keyence Corporation, VK-8710). I photographed mainly the fiber layer so as not to enter. Thereafter, the wall-to-wall distance between each fiber was measured using image analysis software (Azo-kun (trade name)) provided by Asahi Kasei Engineering Co., Ltd., and the fiber-to-fiber distance and its coefficient of variation were determined.
(5)面内せん断(IPS)降伏点強度
測定試料は、オートクレーブ成形法を用いて製造した。即ち、プリプレグをカットし、積層し、積層構成[+45/-45]2Sの積層体を得た。この積層体を、通常のオートクレーブ成形法で成形した。成形条件は、圧力0.49MPaで、温度180℃で、120分間であった。得られた成形物を幅25mm×長さ230mmの大きさに切断し、EN6031に則って測定し、降伏点応力の強度をIPS降伏点強度とした。
(5) In-Plane Shear (IPS) Yield Point Strength Measurement samples were produced using an autoclave molding method. That is, the prepreg was cut and laminated to obtain a laminate having a laminate structure of [+45/-45] 2S . This laminate was molded by a normal autoclave molding method. The molding conditions were a pressure of 0.49 MPa, a temperature of 180° C., and 120 minutes. The obtained molded product was cut into a size of 25 mm in width×230 mm in length, and measured according to EN6031.
(6)層間破壊靭性モードI(GIc)
得られたプリプレグを一辺が30mmの正方形にカットした後、積層し、0°方向に10層積層した積層体を2つ作製した。初期クラックを発生させるために、離型シートを2つの積層体の間に挟み、両者を組み合わせ、積層構成[0]20のプリプレグ積層体を得た。通常の真空オートクレーブ成形法を用い、0.59MPaの圧力下、180℃の条件で2時間成形した。得られた成形物(FRP)を幅 12.7 mm × 長さ 304.8 mmの寸法に切断し、層間破壊靭性モードI(GIc)の試験片を得た。
GIcの試験方法として、双片持ちはり層間破壊靱性試験法(DCB法)を用い、離型シートの先端から12.7mmの予亀裂(初期クラック)を発生させた後に、さらに亀裂を進展させる試験を行った。予亀裂の先端から、亀裂進展長さが127mmに到達した時点で試験を終了させた。試験片引張試験機のクロスヘッドスピードは12.7mm/分とし、n=5で測定を行った。
亀裂進展長さは顕微鏡を用いて試験片の両端面から測定し、荷重、及び亀裂開口変位を計測することにより、GIc算出した。
(6) Interlaminar fracture toughness mode I (GIc)
After the obtained prepreg was cut into a square with a side of 30 mm, the prepregs were laminated to prepare two laminates in which 10 layers were laminated in the direction of 0°. In order to generate initial cracks, a release sheet was sandwiched between the two laminates, and the two were combined to obtain a prepreg laminate having a laminate structure of [0] 20 . Molding was carried out for 2 hours at 180° C. under a pressure of 0.59 MPa using a normal vacuum autoclave molding method. The obtained molded product (FRP) was cut into a size of 12.7 mm wide×304.8 mm long to obtain a test piece of interlaminar fracture toughness mode I (GIc).
As a test method for GIc, a double cantilever beam interlaminar fracture toughness test method (DCB method) is used, and a precrack (initial crack) of 12.7 mm is generated from the tip of the release sheet, and then the crack is further propagated. did The test was terminated when the crack growth length reached 127 mm from the tip of the pre-crack. The crosshead speed of the test piece tensile tester was 12.7 mm/min, and the measurement was performed with n=5.
The crack growth length was measured from both end surfaces of the test piece using a microscope, and GIc was calculated by measuring the load and crack opening displacement.
(実施例1)
前駆体繊維であるPAN繊維(フィラメント数24000)を、空気中250℃で、繊維比重1.35になるまで耐炎化処理を行い、次いで窒素ガス雰囲気下、最高温度650℃で低温炭素化させた。その後、窒素雰囲気下1500℃で高温炭素化させて製造した炭素繊維を、10質量%の硫酸アンモニウム水溶液を用い、40C/gの電気量で電解酸化により表面処理を行い、乾燥して炭素繊維束(引張強度5800MPa、引張弾性率290GPa、フィラメント数24000、平均繊維直径5μm)を得た。その後、炭素繊維束を一方向に引き揃え、炭素繊維基材(目付:190g/m2)を作製した。
(A) 50質量部のMY600と、50質量部のMY721と、20質量部のPESと、を混合し、120℃で30分間攪拌機を用いて撹拌し完全溶解させた後、樹脂温度を80℃以下に冷却した。その後、35質量部の粒子状物質(平均粒子径20μmのPA12)を混練し、さらに硬化剤である3,3’-DDSを45質量部混練して、粒子含有熱硬化性エポキシ樹脂組成物を調製した。
調製した粒子含有熱硬化性エポキシ樹脂組成物をフィルムコーターを用いて離型紙上に塗布して、40(g/m2)の樹脂フィルム(A)を、2枚作製した。
(B) 次いで、100質量部のMY600と、10質量部のPESと、を混合し、120℃で30分間攪拌機を用いて撹拌し完全溶解させ、エポキシ樹脂組成物を調製した。このエポキシ樹脂組成物の100℃における粘度は32Pa・sであった。
調製したエポキシ樹脂組成物をフィルムコーターを用いて離型紙上に塗布して、10(g/m2)の樹脂フィルム(B)を2枚作製した。
炭素繊維基材の両面に、樹脂フィルム(A)及び樹脂フィルム(B)をこの順で貼り合わせ、ローラーを用いて温度130℃、含浸線圧30(kN/cm)で加圧及び加熱してプリプレグを得た。このプリプレグの樹脂含有率は35(質量%)であり、タック保持日数は33(日間)、吸水率は2.3(%)であった。得られたプリプレグの平均繊維間距離を表1に示した。
このプリプレグを用いて作製した繊維強化複合材料の繊維間距離は1.1(μm)であり、IPS降伏点強度は87(MPa)であり、GIcは660(J/m2)であった。
(Example 1)
PAN fiber (24,000 filaments), which is a precursor fiber, was subjected to a flameproofing treatment at 250°C in the air until the specific gravity of the fiber reached 1.35, and then low-temperature carbonization at a maximum temperature of 650°C in a nitrogen gas atmosphere. . After that, the carbon fibers produced by high-temperature carbonization at 1500 ° C. in a nitrogen atmosphere are subjected to surface treatment by electrolytic oxidation using a 10% by mass ammonium sulfate aqueous solution at an electric quantity of 40 C / g, and dried to carbon fiber bundles ( A tensile strength of 5800 MPa, a tensile modulus of elasticity of 290 GPa, the number of filaments of 24000, and an average fiber diameter of 5 μm were obtained. Thereafter, the carbon fiber bundles were aligned in one direction to produce a carbon fiber substrate (basis weight: 190 g/m 2 ).
(A) 50 parts by mass of MY600, 50 parts by mass of MY721, and 20 parts by mass of PES were mixed, stirred with a stirrer at 120°C for 30 minutes to completely dissolve, and then the resin was heated to 80°C. Cooled below. After that, 35 parts by mass of particulate matter (PA12 having an average particle diameter of 20 μm) is kneaded, and 45 parts by mass of 3,3'-DDS as a curing agent is kneaded to obtain a particle-containing thermosetting epoxy resin composition. prepared.
The prepared particle-containing thermosetting epoxy resin composition was applied onto release paper using a film coater to prepare two 40 (g/m 2 ) resin films (A).
(B) Next, 100 parts by mass of MY600 and 10 parts by mass of PES were mixed and stirred at 120° C. for 30 minutes with a stirrer to completely dissolve them, thereby preparing an epoxy resin composition. The viscosity of this epoxy resin composition at 100° C. was 32 Pa·s.
The prepared epoxy resin composition was applied onto release paper using a film coater to prepare two resin films (B) of 10 (g/m 2 ).
The resin film (A) and the resin film (B) are laminated in this order on both sides of the carbon fiber base material, and pressurized and heated using a roller at a temperature of 130 ° C. and an impregnation linear pressure of 30 (kN / cm). Got the prepreg. This prepreg had a resin content of 35 (% by mass), a tack retention period of 33 (days), and a water absorption of 2.3 (%). Table 1 shows the average inter-fiber distance of the obtained prepreg.
The fiber-reinforced composite material produced using this prepreg had an interfiber distance of 1.1 (μm), an IPS yield point strength of 87 (MPa), and a GIc of 660 (J/m 2 ).
実施例1のプリプレグは、樹脂フィルム(A)が樹脂フィルム(B)を介して含浸されている。したがって、タック保持日数が高く、このプリプレグを用いて作製する繊維強化複合材料はその機械強度が優れていた。 The prepreg of Example 1 is impregnated with the resin film (A) through the resin film (B). Therefore, the tack retention days were high, and the fiber-reinforced composite material produced using this prepreg had excellent mechanical strength.
(実施例2、3)
含浸圧力を表1記載の値に変更した以外は、実施例1と同様にしてプリプレグを得た。含浸圧力を変更したことで、得られたプリプレグの平均繊維間距離が表1に記載の値に変化したが、いずれも、式(1)の要件を満たすものであった。樹脂フィルム(A)が樹脂フィルム(B)を介して含浸された実施例2,3のプリプレグは、タック保持日数が高く、このプリプレグを用いて作製する繊維強化複合材料はその機械強度が優れていた。
(Examples 2 and 3)
A prepreg was obtained in the same manner as in Example 1, except that the impregnation pressure was changed to the value shown in Table 1. By changing the impregnation pressure, the average inter-fiber distance of the obtained prepreg changed to the value shown in Table 1, but all satisfied the requirements of formula (1). The prepregs of Examples 2 and 3 in which the resin film (A) was impregnated through the resin film (B) had high tack retention days, and the fiber-reinforced composite material produced using these prepregs had excellent mechanical strength. rice field.
(比較例1)
前駆体繊維であるPAN繊維(フィラメント数24000)を、空気中250℃で、繊維比重1.35になるまで耐炎化処理を行い、次いで窒素ガス雰囲気下、最高温度650℃で低温炭素化させた。その後、窒素雰囲気下1500℃で高温炭素化させて製造した炭素繊維を、10質量%の硫酸アンモニウム水溶液を用い、40C/gの電気量で電解酸化により表面処理を行い、乾燥して炭素繊維束(引張強度5800MPa、引張弾性率290GPa、フィラメント数24000、平均繊維直径5μm)を得た。その後、炭素繊維束を一方向に引き揃え、炭素繊維基材(目付:190g/m2)を作製した。
(A) 50質量部のMY600と、50質量部のMY721と、20質量部のPESと、を混合し、120℃で30分間攪拌機を用いて撹拌し完全溶解させた後、樹脂温度を80℃以下に冷却した。その後、35質量部の粒子状物質(平均粒子径12μmのPA12)を混練し、さらに硬化剤である3,3’-DDSを45質量部混練して、粒子含有熱硬化性エポキシ樹脂組成物を調製した。
調製した粒子含有熱硬化性エポキシ樹脂組成物をフィルムコーターを用いて離型紙上に塗布して、40(g/m2)の樹脂フィルム(A)を、2枚作製した。
(B) 次いで、100質量部のMY600と、10質量部のPESと、を混合し、120℃で30分間攪拌機を用いて撹拌し完全溶解させ、エポキシ樹脂組成物を調製した。このエポキシ樹脂組成物の100℃における粘度は32Pa・sであった。
調製したエポキシ樹脂組成物をフィルムコーターを用いて離型紙上に塗布して、10(g/m2)の樹脂フィルム(B)を2枚作製した。
炭素繊維基材の両面に、樹脂フィルム(A)を貼り合わせ、ローラーを用いて温度130℃、含浸線圧30(kN/cm)で加圧及び加熱した後、樹脂フィルム(B)を貼り合わせてプリプレグを得た。このプリプレグの樹脂含有率は35(質量%)であり、タック保持日数は33(日間)、吸水率は1.2(%)、平均繊維間距離(d)は0.1(μm)であった。
このプリプレグを用いて作製した繊維強化複合材料の繊維間距離は0.1(μm)であり、IPS降伏点強度は79(MPa)であり、GIcは560(J/m2)であった。
(Comparative example 1)
PAN fiber (24,000 filaments), which is a precursor fiber, was subjected to a flameproofing treatment at 250°C in the air until the specific gravity of the fiber reached 1.35, and then low-temperature carbonization at a maximum temperature of 650°C in a nitrogen gas atmosphere. . After that, the carbon fibers produced by high-temperature carbonization at 1500 ° C. in a nitrogen atmosphere are subjected to surface treatment by electrolytic oxidation using a 10% by mass ammonium sulfate aqueous solution at an electric quantity of 40 C / g, and dried to carbon fiber bundles ( A tensile strength of 5800 MPa, a tensile modulus of elasticity of 290 GPa, the number of filaments of 24000, and an average fiber diameter of 5 μm were obtained. Thereafter, the carbon fiber bundles were aligned in one direction to produce a carbon fiber substrate (basis weight: 190 g/m 2 ).
(A) 50 parts by mass of MY600, 50 parts by mass of MY721, and 20 parts by mass of PES were mixed, stirred with a stirrer at 120°C for 30 minutes to completely dissolve, and then the resin was heated to 80°C. Cooled below. After that, 35 parts by mass of particulate matter (PA12 having an average particle diameter of 12 μm) is kneaded, and 45 parts by mass of 3,3′-DDS as a curing agent is kneaded to obtain a particle-containing thermosetting epoxy resin composition. prepared.
The prepared particle-containing thermosetting epoxy resin composition was applied onto release paper using a film coater to prepare two 40 (g/m 2 ) resin films (A).
(B) Next, 100 parts by mass of MY600 and 10 parts by mass of PES were mixed and stirred at 120° C. for 30 minutes with a stirrer to completely dissolve them, thereby preparing an epoxy resin composition. The viscosity of this epoxy resin composition at 100° C. was 32 Pa·s.
The prepared epoxy resin composition was applied onto release paper using a film coater to prepare two resin films (B) of 10 (g/m 2 ).
The resin film (A) is laminated on both sides of the carbon fiber base material, pressurized and heated using a roller at a temperature of 130 ° C. and an impregnation linear pressure of 30 (kN / cm), and then the resin film (B) is laminated. I got the prepreg. This prepreg had a resin content of 35 (% by mass), a tack retention period of 33 (days), a water absorption rate of 1.2 (%), and an average interfiber distance (d) of 0.1 (μm). rice field.
The fiber-reinforced composite material produced using this prepreg had an interfiber distance of 0.1 (μm), an IPS yield point strength of 79 (MPa), and a GIc of 560 (J/m 2 ).
このプリプレグは、粒子状物質を含まない樹脂被覆層を有しているため、タック性が優れていた。しかし、このプリプレグは樹脂フィルム(A)を直接加圧して製造されているため、繊維間距離が小さくなった。その結果、得られる繊維強化複合材料の機械物性が低かった。 Since this prepreg had a resin coating layer containing no particulate matter, it had excellent tackiness. However, since this prepreg is produced by directly pressing the resin film (A), the distance between fibers is small. As a result, the resulting fiber-reinforced composite material had low mechanical properties.
(比較例2)
実施例1と同一の炭素繊維基材を作製した。
(A) 50質量部のMY600と、50質量部のMY721と、20質量部のPESと、を混合し、120℃で30分間攪拌機を用いて撹拌し完全溶解させた後、樹脂温度を80℃以下に冷却した。その後、35質量部の粒子状物質(平均粒子径20μmのPA12)を混練し、さらに硬化剤である3,3’-DDSを45質量部混練して、粒子含有熱硬化性エポキシ樹脂組成物を調製した。
(B) 次いで、100質量部のMY600と、10質量部のPESと、を混合し、120℃で30分間攪拌機を用いて撹拌し完全溶解させ、エポキシ樹脂組成物を調製した。このエポキシ樹脂組成物の100℃における粘度は32Pa・sであった。上記2種類の樹脂組成物を(A):(B)が4:1になるように混合し、樹脂組成物を作製した。
調製した粒子含有熱硬化性エポキシ樹脂組成物をフィルムコーターを用いて離型紙上に塗布して、50(g/m2)の樹脂フィルム(A)を2枚作製した。
炭素繊維基材の両面に、樹脂フィルム(A)を貼り合わせ、ローラーを用いて温度130℃、含浸線圧30(kN/cm)で加圧及び加熱してプリプレグを得た。このプリプレグの樹脂含有率は35(質量%)であり、タック保持日数は4(日間)、吸水率は6.8(%)、平均繊維間距離(d)は0.9(μm)であった。
このプリプレグを用いて作製した繊維強化複合材料の繊維間距離は0.9(μm)であり、IPS降伏点強度は85(MPa)であり、GIcは590(J/m2)であった。
(Comparative example 2)
A carbon fiber substrate identical to that of Example 1 was produced.
(A) 50 parts by mass of MY600, 50 parts by mass of MY721, and 20 parts by mass of PES were mixed, stirred with a stirrer at 120°C for 30 minutes to completely dissolve, and then the resin was heated to 80°C. Cooled below. After that, 35 parts by mass of particulate matter (PA12 having an average particle diameter of 20 μm) is kneaded, and 45 parts by mass of 3,3'-DDS as a curing agent is kneaded to obtain a particle-containing thermosetting epoxy resin composition. prepared.
(B) Next, 100 parts by mass of MY600 and 10 parts by mass of PES were mixed and stirred at 120° C. for 30 minutes with a stirrer to completely dissolve them, thereby preparing an epoxy resin composition. The viscosity of this epoxy resin composition at 100° C. was 32 Pa·s. The above two types of resin compositions were mixed so that (A):(B) was 4:1 to prepare a resin composition.
The prepared particle-containing thermosetting epoxy resin composition was applied onto release paper using a film coater to prepare two resin films (A) of 50 (g/m 2 ).
The resin film (A) was attached to both surfaces of the carbon fiber base material, and pressure and heat were applied using a roller at a temperature of 130° C. and an impregnation linear pressure of 30 (kN/cm) to obtain a prepreg. This prepreg had a resin content of 35 (% by mass), a tack retention period of 4 (days), a water absorption rate of 6.8 (%), and an average interfiber distance (d) of 0.9 (μm). rice field.
The fiber-reinforced composite material produced using this prepreg had an interfiber distance of 0.9 (μm), an IPS yield point strength of 85 (MPa), and a GIc of 590 (J/m 2 ).
このプリプレグは、粒子状物質を含まない樹脂被覆層を有していないため、タック性が劣っていた。また、このプリプレグは粒子状物質を含む樹脂フィルムを直接加圧して製造されているため、繊維間距離がやや小さくなった。その結果、得られる繊維強化複合材料の機械物性が低かった。 This prepreg had poor tackiness because it did not have a resin coating layer containing no particulate matter. In addition, since this prepreg is produced by directly pressing a resin film containing particulate matter, the distance between fibers is slightly reduced. As a result, the resulting fiber-reinforced composite material had low mechanical properties.
(比較例3)
含浸圧力を表1記載の値に変更した以外は、実施例1と同様にしてプリプレグを得た。
含浸圧力を高くしたことで、得られたプリプレグの平均繊維間距離が表1に記載のように、式(1)の要件を満たさないものとなった。また、層間粒子に変形が見られた。そのため、このプリプレグを用いて作製する繊維強化複合材料はその機械強度が低いものとなった。
(Comparative Example 3)
A prepreg was obtained in the same manner as in Example 1, except that the impregnation pressure was changed to the value shown in Table 1.
By increasing the impregnation pressure, the average inter-fiber distance of the obtained prepreg did not satisfy the requirements of formula (1), as shown in Table 1. Moreover, deformation was observed in the interlayer particles. Therefore, the fiber-reinforced composite material produced using this prepreg has low mechanical strength.
100・・・プリプレグ
10・・・樹脂含浸繊維層(I)
11・・・強化繊維基材
13・・・熱硬化性樹脂組成物
20・・・粒子含有樹脂層(II)
21・・・粒子状物質
23・・・熱硬化性樹脂組成物
30・・・樹脂被覆層(III)
31・・・樹脂組成物
40・・・強化繊維基材層
41・・・強化繊維
50・・・樹脂フィルム(A)
51・・・粒子状物質
53・・・熱硬化性樹脂組成物
60・・・樹脂フィルム(B)
61・・・樹脂組成物
100...
11 Reinforcing
21
31...
51
61... resin composition
Claims (7)
粒子状物質を含む粒子含有樹脂組成物から成り、前記樹脂含浸繊維層(I)の片面又は両面に形成された粒子含有樹脂層(II)と、
熱硬化性樹脂組成物から成り、前記粒子含有樹脂層(II)の表面に形成された樹脂被覆層(III)と、
から成るプリプレグであって、
樹脂含浸繊維層(I)中の強化繊維の平均繊維径(r)と平均繊維間距離(d)とが下記式(1)
0.04 < d/r ≦ 0.25 ・・・式(1)
を満たし、
前記平均繊維間距離(d)が0.3~1.2μmであり、
前記粒子状物質のレーザー回折法により測定される平均粒子径が、前記平均繊維間距離(d)に対して2~1400倍であることを特徴とするプリプレグ。 a resin-impregnated fiber layer (I) comprising a reinforcing fiber base material and a thermosetting resin composition impregnated in the reinforcing fiber base material;
a particle-containing resin layer (II) made of a particle-containing resin composition containing particulate matter and formed on one or both sides of the resin-impregnated fiber layer (I);
a resin coating layer (III) made of a thermosetting resin composition and formed on the surface of the particle-containing resin layer (II);
A prepreg consisting of
The average fiber diameter (r) and the average inter-fiber distance (d) of the reinforcing fibers in the resin-impregnated fiber layer (I) are expressed by the following formula (1)
0.04 < d/r ≤ 0.25 Expression (1)
satisfy the
The average interfiber distance (d) is 0.3 to 1.2 μm,
A prepreg characterized in that the average particle size of the particulate matter measured by a laser diffraction method is 2 to 1400 times the average interfiber distance (d) .
強化繊維の平均繊維径(r 2 )と平均繊維間距離(d 2 )とが下記式(2)
0.04 ≦ d 2 /r 2 ≦ 0.25 ・・・式(2)を満たし、
前記平均繊維間距離(d 2 )が0.3~1.2μmであり、
前記粒子状物質のレーザー回折法により測定される平均粒子径が、前記平均繊維間距離(d 2 )に対して2~1400倍であり、
前記強化繊維基材の任意の断面における繊維間距離の変動係数が15%以下であることを特徴とする繊維強化複合材料。
A fiber-reinforced composite material comprising a reinforcing fiber base material and a thermosetting resin, wherein particulate matter is present between the layers of the reinforcing fiber base material,
The average fiber diameter (r 2 ) and the average inter-fiber distance (d 2 ) of the reinforcing fibers are expressed by the following formula (2)
0.04 ≤ d 2 /r 2 ≤ 0.25 satisfying the formula (2),
The average interfiber distance (d 2 ) is 0.3 to 1.2 μm,
The average particle diameter of the particulate matter measured by a laser diffraction method is 2 to 1400 times the average interfiber distance (d 2 ),
A fiber-reinforced composite material, wherein the coefficient of variation of the distance between fibers in an arbitrary cross section of the reinforcing fiber base material is 15% or less.
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