JP2023101941A - Intermediate base material, fiber reinforced composite, and molded body containing fiber reinforced composite - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素ガスバリア性に優れる繊維強化複合材及びその中間基材並びに繊維強化複合材を含む成形体に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fiber-reinforced composite material having excellent hydrogen gas barrier properties, an intermediate base material thereof, and a molded article containing the fiber-reinforced composite material.
近年、環境低負荷の観点から水素を燃料として発電する燃料電池の開発及び利用が進んでいる。従来高圧ガスの圧力容器には鋼製の容器が用いられてきたが、軽量化を目的として樹脂材料を用いた圧力容器、いわゆるFRP容器を用いた高圧水素タンクの開発が進められている。
樹脂材料を使用した高圧水素タンクの構成としては、内層にガスバリア性を有する熱可塑性樹脂の中空容器(ライナー)を備え、外層に補強材として熱硬化性樹脂をマトリックスとした繊維強化プラスチック(FRP)を備えている。特に軽量化の観点から強化材としては炭素繊維が用いられている(例えば、特許文献1、2参照)。
前記熱硬化性のマトリックス樹脂としては一般にエポキシ樹脂が用いられている。エポキシ樹脂は接着性及び靭性に優れ炭素繊維との密着性も良く、機械的物性に優れた複合材料が得られるという利点がある。一方で、エポキシ樹脂は伸びが悪く耐衝撃性に劣る。
加えて汎用のエポキシ樹脂はそれ単独ではガスバリア性が期待できないため、高圧水素タンクのようなガスバリア性の求められる圧力容器においては、熱可塑性樹脂材料等ガスバリア性に優れるライナーの併用が必須であり、ライナーレス化による軽量化が難しい。
また、あらかじめ連続繊維束に樹脂を含浸させプリプレグ化させた中間基材を用いる場合、エポキシ樹脂マトリックスでは低温保管が必要である。さらに硬化工程においてエポキシ樹脂は長時間を要し、全体的にエネルギーコストが大きくなる懸念がある。
In recent years, the development and use of fuel cells that generate electricity using hydrogen as a fuel are progressing from the standpoint of low environmental load. Conventionally, steel containers have been used as pressure containers for high-pressure gas, but for the purpose of weight reduction, pressure containers using resin materials, so-called FRP containers, are being developed for high-pressure hydrogen tanks.
The structure of a high-pressure hydrogen tank using a resin material includes a hollow container (liner) made of a thermoplastic resin having gas barrier properties in the inner layer, and a fiber reinforced plastic (FRP) with a thermosetting resin matrix as a reinforcing material in the outer layer. In particular, carbon fiber is used as a reinforcing material from the viewpoint of weight reduction (see Patent Documents 1 and 2, for example).
An epoxy resin is generally used as the thermosetting matrix resin. Epoxy resins are excellent in adhesiveness and toughness, have good adhesion to carbon fibers, and are advantageous in that a composite material with excellent mechanical properties can be obtained. On the other hand, epoxy resin has poor elongation and poor impact resistance.
In addition, general-purpose epoxy resin alone cannot be expected to have gas barrier properties, so in pressure vessels that require gas barrier properties, such as high-pressure hydrogen tanks, it is essential to use a liner with excellent gas barrier properties, such as a thermoplastic resin material.
In the case of using an intermediate base material in which continuous fiber bundles are pre-impregnated with a resin to form a prepreg, an epoxy resin matrix requires low-temperature storage. Furthermore, the epoxy resin takes a long time in the curing process, and there is a concern that the energy cost will increase as a whole.
本発明は上記問題点に鑑み、FRP単独でもガスバリア性に優れ、繊維強化複合材とした際の力学物性に優れる中間基材を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above-mentioned problems, an object of the present invention is to provide an intermediate base material that has excellent gas barrier properties even when FRP is used alone, and that has excellent mechanical properties when used as a fiber-reinforced composite material.
発明者らは検討の結果、メタキシリレンジイソシアネート(A)と、不飽和二重結合を含むアルコール成分(B)と、を含む硬化性液状組成物を強化材に含浸させることで前記課題を解決できることを見いだした。 As a result of investigation, the inventors found that the above problem can be solved by impregnating the reinforcing material with a curable liquid composition containing meta-xylylene diisocyanate (A) and an alcohol component (B) containing an unsaturated double bond.
本発明によれば、FRP単独でもガスバリア性に優れる成形体を製造できる。 According to the present invention, a compact having excellent gas barrier properties can be produced from FRP alone.
以下に本発明の実施の形態を詳細に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、何ら以下の説明に限定されるものではない。
本発明の中間基材は、メタキシリレンジイソシアネート(A)と、不飽和二重結合を含むアルコール成分(B)とを含む硬化性液状組成物を強化材に含浸させたものである。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described in detail below, but the present invention is not limited to the following descriptions as long as the gist thereof is not exceeded.
The intermediate base material of the present invention is obtained by impregnating a reinforcing material with a curable liquid composition containing meta-xylylene diisocyanate (A) and an alcohol component (B) containing an unsaturated double bond.
アルコール成分(B)は、不飽和二重結合を含むアルコールを含む。ここで、不飽和二重結合を含むアルコールとは、ラジカル重合可能なエチレン性不飽和二重結合を有するアルコールを意味する。不飽和二重結合を含むアルコールは、モノアルコールであってもよいし、多価アルコールであってもよい。
不飽和二重結合を含むモノアルコールとしては、例えば、2-ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2-ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、4-ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコールモノ(メタ)アクリレート、ポリプロピレングリコールモノ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパンジ(メタ)アクリレート、グリシジル(メタ)アクリレート、ペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトールペンタ(メタ)アクリレート、ジアクリル化イソシアヌレート、2-ヒドロキシ-3-フェノキシプロピル(メタ)アクリレート、2-アクリロイロキシエチルヘキサヒドロフタル酸、2-アクリロイロキシエチル-2-ヒドロキシエチル-フタル酸などが挙げられる。これらのモノアルコールは、単独で用いてもよく、また2種以上を組み合わせて用いてもよい。
また、不飽和二重結合を含む多価アルコールとしては、例えば、1,6-ヘキサンジオールジ(メタ)アクリレート、1,8-オクタンジオールジ(メタ)アクリレート、1,9-ノナンジオールジ(メタ)アクリレート、1,10-デカンジオールジ(メタ)アクリレート、1,12-ドデカンジオールジ(メタ)アクリレート、3-メチル-1,5-ペンタンジオールジ(メタ)アクリレート、2,4-ジエチル-1,5-ペンタンジオールジ(メタ)アクリレート、ブチルエチルプロパンジオールジ(メタ)アクリレート、3-メチル-1,7-オクタンジオールジ(メタ)アクリレート、2-メチル-1,8-オクタンジオールジ(メタ)アクリレート、ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレートなどのアルカンジオールジ(メタ)アクリレート、エトキシ化シクロヘキサンジメタノールジ(メタ)アクリレート、エトキシ化ビスフェノールAジ(メタ)アクリレート、トリシクロデカンジメタノールジ(メタ)アクリレート、プロポキシ化エトキシ化ビスフェノールAジ(メタ)アクリレート、1,1,1-トリスヒドロキシメチルエタンジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパンエトキシトリ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパンプロポキシトリ(メタ)アクリレート、グリセリンプロポキシトリ(メタ)アクリレート、テトラメチロールメタントリ(メタ)アクリレート、テトラメチロールメタンテトラ(メタ)アクリレート、ジトリメチロールプロパンテトラ(メタ)アクリレートや、モノペンタエリスリトール(メタ)アクリレート、ジペンタエリスリトール(メタ)アクリレート、トリペンタエリスリトール(メタ)アクリレート、ポリペンタエリスリトール(メタ)アクリレートなどのペンタエリスリトール構造と(メタ)アクリレート構造を有するペンタエリスリトールアクリレート系化合物などが挙げられる。これらの多価アルコールは、単独で用いてもよく、また2種以上を組み合わせて用いてもよい。
Alcohol component (B) includes an alcohol containing an unsaturated double bond. Here, the alcohol containing an unsaturated double bond means an alcohol having a radically polymerizable ethylenically unsaturated double bond. Alcohols containing unsaturated double bonds may be monoalcohols or polyhydric alcohols.
Monoalcohols containing unsaturated double bonds include, for example, 2-hydroxyethyl (meth)acrylate, 2-hydroxypropyl (meth)acrylate, 4-hydroxybutyl (meth)acrylate, polyethylene glycol mono(meth)acrylate, polypropylene glycol mono(meth)acrylate, trimethylolpropane di(meth)acrylate, glycidyl (meth)acrylate, pentaerythritol tri(meth)acrylate, dipentaerythritol penta(meth)acrylate, diacrylated isocyanurate, 2-hydroxy-3-phenoxypropyl(meth)acrylate, 2-acryloyloxyethylhexahydrophthalic acid, 2-acryloyloxyethyl-2-hydroxyethyl-phthalic acid and the like. These monoalcohols may be used alone or in combination of two or more.
Examples of polyhydric alcohols containing unsaturated double bonds include 1,6-hexanediol di(meth)acrylate, 1,8-octanediol di(meth)acrylate, 1,9-nonanediol di(meth)acrylate, 1,10-decanediol di(meth)acrylate, 1,12-dodecanediol di(meth)acrylate, 3-methyl-1,5-pentanediol di(meth)acrylate, 2,4-diethyl-1,5-pentanediol. Alkanediol di(meth)acrylates such as di(meth)acrylate, butylethylpropanediol di(meth)acrylate, 3-methyl-1,7-octanediol di(meth)acrylate, 2-methyl-1,8-octanediol di(meth)acrylate, neopentyl glycol di(meth)acrylate, ethoxylated cyclohexanedimethanol di(meth)acrylate, ethoxylated bisphenol A di(meth)acrylate, tricyclodecanedimethanol di(meth)acrylate, propoxylated ethoxy) bisphenol A di(meth)acrylate, 1,1,1-trishydroxymethylethane di(meth)acrylate, trimethylolpropane tri(meth)acrylate, trimethylolpropane ethoxytri(meth)acrylate, trimethylolpropanepropoxytri(meth)acrylate, glycerolpropoxytri(meth)acrylate, tetramethylolmethane tri(meth)acrylate, tetramethylolmethane tetra(meth)acrylate, ditrimethylolpropane tetra(meth)acrylate, and monopentaerythrin Examples include pentaerythritol acrylate compounds having a pentaerythritol structure and a (meth)acrylate structure, such as tall (meth)acrylate, dipentaerythritol (meth)acrylate, tripentaerythritol (meth)acrylate, and polypentaerythritol (meth)acrylate. These polyhydric alcohols may be used alone or in combination of two or more.
不飽和二重結合を含むアルコール成分がモノアルコールである場合、アルコール成分(B)は、さらに多価アルコールを含むことが好ましい。この場合の多価アルコールは、前述の不飽和二重結合を含む多価アルコールであってもよいし、前述の不飽和二重結合を含む多価アルコール以外の多価アルコールであってもよい。このような多価アルコールとしては、例えば、エチレングリコール、1,2-プロパンジオール、1,3-プロパンジオール、1,2-ブタンジオール、1,3-ブタンジオール、1,4-ブタンジオール、2,3-ブタンジオール、1,4-ブテンジオール、2-メチル-1,3-プロパンジオール、1,5-ペンタンジオール、ネオペンチルグリコール、2-エチル-2-メチルプロパン-1,3-ジオール、2-ブチル-2-エチルプロパン-1,3-ジオール、1,6-ヘキサンジオール、3-メチル-1,5-ペンタンジオール、2-エチル-1,3-ヘキサンジオール、2,4-ジメチル-1,5-ペンタンジオール、2,2,4-トリメチル-1,3-ペンタンジオール、1,7-へプタンジオール、1,8-オクタンジオール、1,9-ノナンジオール、1,10-デカンジオール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジプロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリエチレングリコール、グリセリン、トリメチロールエタン、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、水添ビスフェノールA、トリシクロデカンジメタノール、スピログリコール、不飽和及び又は飽和酸と多価アルコールとを重縮合させたものなどが挙げられる。
これらの多価アルコールは、単独で用いてもよく、また2種以上を組み合わせて用いてもよい。
When the alcohol component containing unsaturated double bonds is a monoalcohol, the alcohol component (B) preferably further contains a polyhydric alcohol. The polyhydric alcohol in this case may be the above-described polyhydric alcohol containing an unsaturated double bond, or may be a polyhydric alcohol other than the above-described polyhydric alcohol containing an unsaturated double bond. Examples of such polyhydric alcohols include ethylene glycol, 1,2-propanediol, 1,3-propanediol, 1,2-butanediol, 1,3-butanediol, 1,4-butanediol, 2,3-butanediol, 1,4-butenediol, 2-methyl-1,3-propanediol, 1,5-pentanediol, neopentyl glycol, 2-ethyl-2-methylpropane-1,3-diol, 2- Butyl-2-ethylpropane-1,3-diol, 1,6-hexanediol, 3-methyl-1,5-pentanediol, 2-ethyl-1,3-hexanediol, 2,4-dimethyl-1,5-pentanediol, 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol, 1,7-heptanediol, 1,8-octanediol, 1,9-nonanediol, 1,10-decanediol, diethylene glycol , triethylene glycol, dipropylene glycol, polypropylene glycol, polyethylene glycol, glycerin, trimethylolethane, trimethylolpropane, pentaerythritol, hydrogenated bisphenol A, tricyclodecanedimethanol, spiroglycol, polycondensation of unsaturated and/or saturated acids and polyhydric alcohols.
These polyhydric alcohols may be used alone or in combination of two or more.
また、不飽和二重結合を含むアルコール成分が多価アルコールである場合、アルコール成分(B)は、前述の不飽和二重結合を含む多価アルコール以外の多価アルコールを含んでもよいし、モノアルコールを含んでもよい。モノアルコールとしては、前述の不飽和二重結合を含むモノアルコールであってもよいし、前述の不飽和二重結合を含むモノアルコール以外のモノアルコールであってもよい。 Further, when the alcohol component containing an unsaturated double bond is a polyhydric alcohol, the alcohol component (B) may contain a polyhydric alcohol other than the aforementioned polyhydric alcohol containing an unsaturated double bond, or may contain a monoalcohol. The monoalcohol may be the above-described monoalcohol containing an unsaturated double bond, or may be a monoalcohol other than the above-described monoalcohol containing an unsaturated double bond.
強化材は、特に限定されることはなく、用途に応じて適宜選択することができる。強化材は、好ましくは繊維である。前記繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、金属繊維、ボロン繊維、セラミック繊維、アラミド繊維、ザイロン繊維、バサルト繊維、セルロース繊維、ポリオキシメチレン繊維、芳香族ポリアミド繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、超高分子量ポリエチレン繊維などが挙げられる。本発明においては、強化材として、炭素繊維を用いることが好ましい。炭素繊維を用いることで、軽量かつ高強度の繊維強化複合材を得ることができる。 The reinforcing material is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the application. The reinforcement is preferably fibres. Examples of the fibers include glass fibers, carbon fibers, metal fibers, boron fibers, ceramic fibers, aramid fibers, zylon fibers, basalt fibers, cellulose fibers, polyoxymethylene fibers, aromatic polyamide fibers, polyparaphenylenebenzobisoxazole fibers, ultra-high molecular weight polyethylene fibers, and the like. In the present invention, carbon fiber is preferably used as the reinforcing material. By using carbon fibers, a lightweight and high-strength fiber-reinforced composite material can be obtained.
本発明の中間基材を製造するにあたり、硬化性液状組成物を強化材に含浸させる方法は特に限定されることはなく、強化材の形態等に応じて適宜選択して、公知の方法を用いることができる。 In producing the intermediate base material of the present invention, the method for impregnating the reinforcing material with the curable liquid composition is not particularly limited, and a known method can be appropriately selected according to the form of the reinforcing material.
硬化性液状組成物を強化材に含浸させて得られた中間基材は、熟成することで、硬化性液状組成物の一部分を重合させて、硬化性液状組成物の部分重合物と、強化材とを含む中間基材とすることができる。
熟成に際しては、ウレタン化反応触媒を含むことが好ましい。ウレタン化触媒には酸性触媒、塩基性触媒が使用できるが、中性触媒、例えば活性の高いジブチル錫ジラウレートやジブチル錫ジアセテートなどのスズ化合物などが好ましい。触媒の添加量は選択する他の原料によって異なるが、熟成時の発熱及びウレタンアクリレート形成の速度、中間材料の貯蔵安定性、硬化物の機械物性の観点から、硬化性液状組成物重量に対して、800ppm以下とすることが好ましい。
熟成の条件は、使用する触媒の種類及び添加量、並びに他の原料によって異なるが、一般的には30~80℃で1~10日であり、好ましくは40~60℃で2~6日である。
こうして得られた硬化性液状組成物の部分重合物には、メタキシリレンジイソシアネート残基を有するウレタン(メタ)アクリレートが含まれる。
The intermediate base material obtained by impregnating the reinforcing material with the curable liquid composition is partially polymerized by aging to obtain an intermediate base material containing a partially polymerized product of the curable liquid composition and the reinforcing material.
During aging, it is preferable to contain a urethanization reaction catalyst. Acidic catalysts and basic catalysts can be used as the urethanization catalyst, but neutral catalysts such as highly active tin compounds such as dibutyltin dilaurate and dibutyltin diacetate are preferred. The amount of the catalyst to be added varies depending on the other raw materials selected, but from the viewpoints of heat generation and urethane acrylate formation rate during aging, storage stability of the intermediate material, and mechanical properties of the cured product, it is preferably 800 ppm or less based on the weight of the curable liquid composition.
The aging conditions vary depending on the type and amount of catalyst used and other raw materials, but are generally 30 to 80° C. for 1 to 10 days, preferably 40 to 60° C. for 2 to 6 days.
The partially polymerized product of the curable liquid composition thus obtained contains urethane (meth)acrylate having a meta-xylylenediisocyanate residue.
また、硬化性液状組成物の一部分を予め重合させてから強化材に含浸させて、硬化性液状組成物の部分重合物と、強化材とを含む中間基材を得ることもできる。硬化性液状組成物の一部分を予め重合させてから強化材に含浸させる場合、硬化性液状組成物には、さらに重合性単量体を含有させることが好ましい。前記重合性単量体としては、ビニルモノマーや単官能(メタ)アクリル酸エステル、多官能(メタ)アクリル酸エステルなどが挙げられる。イソシアネート基と反応する重合性単量体を配合すると保管時に反応して粘度が上昇し作業性が悪くなる虞や十分な機械物性を得ることができない虞がある。前記ビニルモノマーとしては、スチレン、ビニルトルエン、α-メチルスチレン、酢酸ビニルなどが挙げられる。また、単官能(メタ)アクリル酸エステルとしては、メタクリル酸メチル、ベンジル(メタ)アクリレート、n-ブチル(メタ)アクリレート、i-ブチル(メタ)アクリレート、t-ブチル(メタ)アクリレート、2-エチルヘキシル(メタ)アクリレート、テトラヒドロフルフリル(メタ)アクリレート、ラウリル(メタ)アクリレート、トリデシル(メタ)アクリレート、ステアリル(メタ)アクリレート、2-メトキシエチル(メタ)アクリレート、2-エトキシエチル(メタ)アクリレート、シクロヘキシル(メタ)アクリレート、イソボルニル(メタ)アクリレート、ノルボルニル(メタ)アクリレート、ジシクロペンテニル(メタ)アクリレート、ジシクロペンテニルオキシエチル(メタ)アクリレートなどが挙げられる。また、多官能(メタ)アクリル酸エステルとしては、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、1,3-プロパンジオールジ(メタ)アクリレート、1,4-ブタンジオールジ(メタ)アクリレート、ネオペンチルグリコールジ(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリプロピレンジ(メタ)アクリレート、ノルボルネンジメタノールジ(メタ)アクリレート、トリシクロデカンジメタノールジ(メタ)アクリレート、エチレンオキサイド付加ビスフェノールAジ(メタ)アクリレート、プロピレンオキサイド付加ビスフェノールAジ(メタ)アクリレート、トリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレート、トリス(2-(メタ)アクリロイルオキシエチル)イソシアヌレートなどが挙げられる。これらの重合性単量体(E)は、単独で用いることも、2種以上を併用することもできる。中間基材としてのタック性や臭気、その硬化物の機械物性の点からジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、トリプロピレンジ(メタ)アクリレート、ベンジルメタクリレート、ジシクロペンテニル(メタ)アクリレート、エチレンオキサイド付加ビスフェノールAジ(メタ)アクリレート、トリシクロデカンジメタノールジ(メタ)アクリレート、プロピレンオキサイド付加ビスフェノールAジ(メタ)アクリレートなどを含むことが好ましい。
重合に際しては、ウレタン化反応触媒を含むことが好ましい。ウレタン化触媒には酸性触媒、塩基性触媒が使用できるが、中性触媒、例えば活性の高いジブチル錫ジラウレートやジブチル錫ジアセテートなどのスズ化合物などが好ましい。触媒の添加量は選択する他の原料によって異なるが、熟成時の発熱及びウレタンアクリレート形成の速度、中間材料の貯蔵安定性、硬化物の機械物性の観点から、硬化性液状組成物重量に対して、800ppm以下とすることが好ましい。
重合の条件は、使用する触媒の種類及び添加量、並びに他の原料によって異なるが、一般的には60~130℃の温度範囲であり、好ましくは80~110℃の温度範囲である。なお、重合時間は、使用する原料で反応性が大きく異なるが、例えば30分~12時間の範囲とすることができる。
こうして得られた硬化性液状組成物の部分重合物には、メタキシリレンジイソシアネート残基を有するウレタン(メタ)アクリレートが含まれる。
Alternatively, a part of the curable liquid composition may be previously polymerized and then impregnated with the reinforcing material to obtain an intermediate base material containing a partially polymerized product of the curable liquid composition and the reinforcing material. When a part of the curable liquid composition is polymerized in advance and then impregnated into the reinforcing material, the curable liquid composition preferably further contains a polymerizable monomer. Examples of the polymerizable monomer include vinyl monomers, monofunctional (meth)acrylic acid esters, polyfunctional (meth)acrylic acid esters, and the like. If a polymerizable monomer that reacts with an isocyanate group is blended, the reaction during storage may increase the viscosity, resulting in poor workability and insufficient mechanical properties. Examples of the vinyl monomer include styrene, vinyltoluene, α-methylstyrene, and vinyl acetate. Further, monofunctional (meth)acrylates include methyl methacrylate, benzyl (meth)acrylate, n-butyl (meth)acrylate, i-butyl (meth)acrylate, t-butyl (meth)acrylate, 2-ethylhexyl (meth)acrylate, tetrahydrofurfuryl (meth)acrylate, lauryl (meth)acrylate, tridecyl (meth)acrylate, stearyl (meth)acrylate, 2-methoxyethyl (meth)acrylate, 2-ethoxyethyl (meth)acrylate, cyclohexyl (meth)acrylate, isobornyl (meth)acrylate, norbornyl (meth)acrylate, dicyclopentenyl (meth)acrylate, dicyclopentenyloxyethyl (meth)acrylate and the like. Examples of polyfunctional (meth)acrylic acid esters include ethylene glycol di(meth)acrylate, triethylene glycol di(meth)acrylate, 1,3-propanediol di(meth)acrylate, 1,4-butanediol di(meth)acrylate, neopentyl glycol di(meth)acrylate, diethylene glycol di(meth)acrylate, tripropylene di(meth)acrylate, norbornene dimethanol di(meth)acrylate, tricyclodecanedimethanol di(meth)acrylate, ethylene oxide-added bisphenol A di(meth)acrylate, Propylene oxide-added bisphenol A di(meth)acrylate, trimethylolpropane tri(meth)acrylate, tris(2-(meth)acryloyloxyethyl)isocyanurate and the like. These polymerizable monomers (E) can be used alone or in combination of two or more. From the viewpoint of tackiness and odor as an intermediate base material and the mechanical properties of the cured product, it is preferable to include diethylene glycol di(meth)acrylate, triethylene glycol di(meth)acrylate, tripropylene di(meth)acrylate, benzyl methacrylate, dicyclopentenyl (meth)acrylate, ethylene oxide-added bisphenol A di(meth)acrylate, tricyclodecanedimethanol di(meth)acrylate, propylene oxide-added bisphenol A di(meth)acrylate, and the like.
In the polymerization, it is preferable to contain a urethanization reaction catalyst. Acidic catalysts and basic catalysts can be used as the urethanization catalyst, but neutral catalysts such as highly active tin compounds such as dibutyltin dilaurate and dibutyltin diacetate are preferred. The amount of the catalyst to be added varies depending on the other raw materials selected, but from the viewpoints of heat generation and urethane acrylate formation rate during aging, storage stability of the intermediate material, and mechanical properties of the cured product, it is preferably 800 ppm or less based on the weight of the curable liquid composition.
The polymerization conditions vary depending on the type and amount of catalyst used and other raw materials, but are generally in the temperature range of 60 to 130°C, preferably in the temperature range of 80 to 110°C. The polymerization time may be in the range of 30 minutes to 12 hours, although reactivity varies greatly depending on the raw materials used.
The partially polymerized product of the curable liquid composition thus obtained contains urethane (meth)acrylate having a meta-xylylenediisocyanate residue.
硬化性液状組成物はさらに、重合禁止剤を含むことが好ましい。重合禁止剤としては、例えば、ハイドロキノン、パラベンゾキノン、メチルハイドロキノン、トリメチルハイドロキノン、トルハイドロキノン等の公知の多価フェノール系重合禁止剤が使用できる。
重合禁止剤の添加量は選択する他の原料によって異なるが、硬化性液状組成物重量に対して、5000ppm以下とすることが好ましい。
The curable liquid composition preferably further contains a polymerization inhibitor. As the polymerization inhibitor, for example, known polyhydric phenol-based polymerization inhibitors such as hydroquinone, parabenzoquinone, methylhydroquinone, trimethylhydroquinone and toluhydroquinone can be used.
Although the amount of the polymerization inhibitor to be added varies depending on other raw materials to be selected, it is preferably 5000 ppm or less based on the weight of the curable liquid composition.
硬化性液状組成物はさらに、ラジカル重合開始剤を含むことが好ましい。ラジカル重合開始剤としては有機過酸化物系が挙げられ、例えば、メチルエチルケトンパーオキサイド、アセチルアセトンパーオキサイドなどのケトンパーオキサイド系、ベンゾイルパーオキサイドなどのジアシルパーオキサイド系、t-ブチルパーオキシベンゾエートなどのパーオキシエステル系、クメンハイドロパーオキサイドなどのハイドロパーオキサイド系、ジクミルパーオキサイドなどジアルキルパーオキサイド系、ビス(4-ターシャリーブチロイルヘキシル)パーオキシジカーボネートなどのパーオキシジカーボネート系などが挙げられる。これらは中間基材の熟成温度、成形温度、保管温度などから適宜に選択することができ、単独又は2種以上混合して使用することができる。ラジカル重合開始剤の添加量は、硬化性液状組成物100質量部に対して、5質量部以下、例えば0.05~5質量部とすることができる。 The curable liquid composition preferably further contains a radical polymerization initiator. Radical polymerization initiators include organic peroxides, for example, ketone peroxides such as methyl ethyl ketone peroxide and acetylacetone peroxide; diacyl peroxides such as benzoyl peroxide; A carbonate system etc. are mentioned. These can be appropriately selected from the aging temperature, molding temperature, storage temperature, etc. of the intermediate substrate, and can be used alone or in combination of two or more. The amount of the radical polymerization initiator to be added may be 5 parts by mass or less, for example 0.05 to 5 parts by mass, per 100 parts by mass of the curable liquid composition.
また、中間基材に光硬化性を付与する場合は、光硬化用のラジカル重合開始剤を使用することが可能である。例えばアセトフェノン、p-ジメチルアミノアセトフェノン、p-ジメチルアミノプロピオフェノンなどのアセトフェノン系、α-アルキルアミノベンゾフェノンなどのアミノベンゾフェノン系、ベンゾフェノン、2-クロロベンゾフェノンなどのベンゾフェノン系、ベンゾインメチルエーテルなどのベンゾインエ-テル系、ベンジルジメチルケタールなどのベンジルケタール系、2-エチルアントラキノン、オクタメチルアントラキノンなどのアントラキノン系、クメンパーオキシドなどの有機過酸化物、2-メルカプトベンゾイミダールなどのチオール化合物、アセトフェノンo-ベンゾイルオキシムなどのo-アシルオキシム系などが挙げられる。これらは中間基材の熟成温度、成形温度、保管温度などから適宜に選択することができ、単独又は2種以上混合して使用することができる。光硬化用のラジカル重合開始剤の添加量は、硬化性液状組成物100質量部に対して、5質量部以下、例えば0.05~5質量部とすることができる。 Moreover, when providing photocurability to an intermediate base material, it is possible to use the radical polymerization initiator for photocuring. For example, acetophenones such as acetophenone, p-dimethylaminoacetophenone and p-dimethylaminopropiophenone, aminobenzophenones such as α-alkylaminobenzophenone, benzophenones such as benzophenone and 2-chlorobenzophenone, benzoin ethers such as benzoin methyl ether, benzyl ketals such as benzyl dimethyl ketal, anthraquinones such as 2-ethylanthraquinone and octamethylanthraquinone, organic peroxides such as cumene peroxide, and 2-merca. Thiol compounds such as ptobenzimidal, o-acyloxime compounds such as acetophenone o-benzoyloxime, and the like can be mentioned. These can be appropriately selected from the aging temperature, molding temperature, storage temperature, etc. of the intermediate substrate, and can be used alone or in combination of two or more. The amount of the radical polymerization initiator for photocuring to be added may be 5 parts by mass or less, for example 0.05 to 5 parts by mass, per 100 parts by mass of the curable liquid composition.
前述通りにして得られた中間基材は、ラジカル重合により硬化して硬化物である繊維強化複合材の成形体とすることができる。
成形方法としては、プレス成形法、オートクレーブ成形法、バッギング成形法、ラッピングテープ法、内圧成形法、シートラップ成形法や、強化繊維のフィラメントやプリフォームに硬化性樹脂組成物を含浸させて硬化し成形品を得るRTM、VaRTM、フィラメントワインディング、RFI等が挙げられるが、これらの成形方法に限られるものではない。
硬化性液状組成物中のラジカル重合開始剤の種類および成形体の形状にもよるが、成形温度は好ましくは70~180℃であり、より好ましくは100~150℃であり、成形時間は2~60分であることが好ましく、成形圧力は0.1~10MPaが好ましい。
本発明の繊維強化複合材は、水素ガスバリア性能が必要とされる用途において、例えばフィルム、塗料、複合材料、FRP容器、圧力容器、車載用部材、車両用部材、船舶用部材、建築部材、医療用部材、又はシェルターとして使用することができる。例えば、本発明の繊維強化複合材を用いたFRPの優れたガスバリア性能により、ライナーによるガスバリア性能に頼ることなく外層のFRP単独でガスバリア性に優れる複合材料を製造できる。
The intermediate base material obtained as described above can be cured by radical polymerization to form a fiber-reinforced composite material molded article that is a cured product.
The molding method includes a press molding method, an autoclave molding method, a bagging molding method, a wrapping tape method, an internal pressure molding method, a sheet wrap molding method, and RTM, VaRTM, filament winding, RFI, etc. in which a reinforcing fiber filament or preform is impregnated with a curable resin composition and cured to obtain a molded product, but is not limited to these molding methods.
The molding temperature is preferably 70 to 180° C., more preferably 100 to 150° C., the molding time is preferably 2 to 60 minutes, and the molding pressure is preferably 0.1 to 10 MPa.
The fiber-reinforced composite material of the present invention can be used in applications that require hydrogen gas barrier performance, such as films, paints, composite materials, FRP containers, pressure vessels, automotive components, vehicle components, ship components, building components, medical components, or shelters. For example, due to the excellent gas barrier performance of FRP using the fiber-reinforced composite material of the present invention, a composite material with excellent gas barrier performance can be produced from the FRP outer layer alone without relying on the gas barrier performance of the liner.
次に実施例により本発明を具体的に説明する。但し、本発明はこれらの実施例により何ら制限されるものではない。 EXAMPLES Next, the present invention will be specifically described with reference to examples. However, the present invention is in no way limited by these examples.
(実施例1)
容器にメタキシリレンジイソシアネート(三井化学社製)586.8部、エチレングリコール(三菱ケミカル社製)124.2部、ヒドロキシプロピルメタクリレート(共栄社製 ライトエステルHOP(N))288.1部、トルハイドロキノン0.1部、4-メチル-2,6-ジターシャリーブチルフェノール0.3部、ジブチル錫ジラウレート0.6部、及びパーブチルE(日油社製モノオキシカーボネート系有機過酸化物)9.9部を加えて均一になるまで撹拌混合した。得られた硬化性液状組成物をE-1とした。
(Example 1)
In a container, 586.8 parts of meta-xylylene diisocyanate (manufactured by Mitsui Chemicals), 124.2 parts of ethylene glycol (manufactured by Mitsubishi Chemical), 288.1 parts of hydroxypropyl methacrylate (Light ester HOP (N) manufactured by Kyoei Co., Ltd.), 0.1 part of toluhydroquinone, 0.3 parts of toluhydroquinone, 0.3 parts of 4-methyl-2,6-ditertiary butylphenol, 0.6 parts of dibutyltin dilaurate, and Perbutyl E (monooxycarbonate-based organic peroxide manufactured by NOF Corporation) 9 .9 parts were added and mixed with stirring until uniform. The obtained curable liquid composition was designated as E-1.
(実施例2)
容器にメタキシリレンジイソシアネート(三井化学社製)587.9部、グリセリン(日油社製)123.1部、ヒドロキシプロピルメタクリレート(共栄社製 ライトエステルHOP(N))288.1部、トルハイドロキノン0.1部、4-メチル-2,6-ジターシャリーブチルフェノール0.3部、ジブチル錫ジラウレート0.06部、及びパーブチルE(日油社製モノオキシカーボネート系有機過酸化物)9.9部を加えて均一になるまで撹拌混合した。得られた硬化性液状組成物をE-2とした。
(Example 2)
In a container, 587.9 parts of meta-xylylene diisocyanate (manufactured by Mitsui Chemicals), 123.1 parts of glycerin (manufactured by NOF Corporation), 288.1 parts of hydroxypropyl methacrylate (Light ester HOP (N) manufactured by Kyoei Co., Ltd.), 0.1 part of toluhydroquinone, 0.3 parts of 4-methyl-2,6-ditertiarybutylphenol, 0.06 parts of dibutyltin dilaurate, and Perbutyl E (monooxycarbonate-based organic peroxide manufactured by NOF Corporation) ) was added and mixed with stirring until uniform. The obtained curable liquid composition was designated as E-2.
(比較例1)
容器にイソホロンジイソシアネート(エボニック社製 ベスタナートIPDI)593.0部、1,3-プロパンジオール117.9部、ヒドロキシプロピルメタクリレート(共栄社製 ライトエステルHOP(N))288.1部、トルハイドロキノン0.1部、4-メチル-2,6-ジターシャリーブチルフェノール0.3部、ジブチル錫ジラウレート0.6部、及びパーブチルE(日油社製モノオキシカーボネート系有機過酸化物)9.9部を加えて均一になるまで撹拌混合した。得られた硬化性液状組成物をC-1とした。
(Comparative example 1)
In a container, 593.0 parts of isophorone diisocyanate (Vestanat IPDI manufactured by Evonik), 117.9 parts of 1,3-propanediol, 288.1 parts of hydroxypropyl methacrylate (Light ester HOP (N) manufactured by Kyoei Co., Ltd.), 0.1 part of toluhydroquinone, 0.3 parts of 4-methyl-2,6-ditertiary butylphenol, 0.6 parts of dibutyltin dilaurate, and perbutyl E (monooxycar manufactured by NOF Corporation) Bonate-based organic peroxide) (9.9 parts) was added and mixed with stirring until uniform. The resulting curable liquid composition was C-1.
(比較例2)
容器にビスフェノールA型エポキシ樹脂(日本ユピカ社製 ネオポール8250L)871.3部、パーブチルE(日油社製モノオキシカーボネート系有機過酸化物)8.7部、及びイソホロンジイソシアネート(エボニック社製 ベスタナートIPDI)120gを加えて均一になるまで撹拌混合した。得られた硬化性液状組成物をC-2とした。
(Comparative example 2)
871.3 parts of a bisphenol A type epoxy resin (NEOPOL 8250L manufactured by Nippon U-Pica Co., Ltd.), 8.7 parts of Perbutyl E (a monooxycarbonate organic peroxide manufactured by NOF Corporation), and 120 g of isophorone diisocyanate (Bestanat IPDI manufactured by Evonik) were added to a container and stirred until uniform. The obtained curable liquid composition was designated as C-2.
〔中間基材の作製〕
実施例1及び2、並びに比較例1及び2にて調製した硬化性液状組成物を繊維重量が60wt%となるように炭素繊維(三菱ケミカル社製 3K綾織 TR3523M)に含浸させた。50℃にて48時間熟成させ、CFRP(炭素繊維強化プラスチック)の中間基材を得た。なお、硬化性液状組成物E-1及びE-2を用いた実施例1及び2においては、50℃48時間の熟成により、メタキシリレンジイソシアネートとヒドロキシプロピルメタクリレートとの間でウレタン結合が形成されることが赤外線吸収スペクトルにおけるイソシアネート基の吸収(2250cm-1付近)の追跡により確認された。
[Preparation of intermediate base material]
Carbon fibers (3K twill fabric TR3523M manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) were impregnated with the curable liquid compositions prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 so that the fiber weight was 60 wt %. It was aged at 50° C. for 48 hours to obtain an intermediate base material of CFRP (carbon fiber reinforced plastic). In Examples 1 and 2 using the curable liquid compositions E-1 and E-2, it was confirmed by tracking the absorption of the isocyanate group (around 2250 cm −1 ) in the infrared absorption spectrum that a urethane bond was formed between metaxylylene diisocyanate and hydroxypropyl methacrylate by aging at 50° C. for 48 hours.
〔複合材料試験片の作成〕
作製した中間基材を、100トンプレス機(東邦プレス製作所社製)にて130℃、4Barで10分間プレス成形を行い、複合材料の試験片を得た。
[Preparation of composite material test piece]
The produced intermediate base material was press-molded for 10 minutes at 130° C. and 4 Bar using a 100-ton press (manufactured by Toho Press Mfg. Co., Ltd.) to obtain a composite material test piece.
<水素ガス透過係数の測定>
前記プレス成形にて得られた試験片を用い、JIS K 7126-1に準じて水素ガス透過係数を測定した。得られた結果を表1に示す。
<力学物性の測定>
前記プレス成形にて得られた試験片を用い、JIS K 7171に準じて曲げ試験を行った。得られた結果を表1に示す。
前記プレス成形にて得られた試験片を用い、JIS K 7078に準じて層間せん断試験を行った。得られた結果を表1に示す。
<Measurement of hydrogen gas permeability coefficient>
Using the test piece obtained by the press molding, the hydrogen gas permeability coefficient was measured according to JIS K 7126-1. Table 1 shows the results obtained.
<Measurement of mechanical properties>
A bending test was performed according to JIS K 7171 using the test piece obtained by the press molding. Table 1 shows the results obtained.
An interlaminar shear test was performed according to JIS K 7078 using the test piece obtained by the press molding. Table 1 shows the results obtained.
本発明の中間基材の硬化物である繊維強化複合材料は、水素ガス等のガスバリア性に優れ、力学物性に優れることから、機械的強度とガスバリア性を両立する用途、例えば高圧ガス貯蔵タンクを構成する材料としてFRP容器に好適である。 The fiber-reinforced composite material, which is a cured product of the intermediate base material of the present invention, has excellent gas barrier properties such as hydrogen gas and excellent mechanical properties.
Claims (10)
不飽和二重結合を含むアルコール成分(B)と、
を含む硬化性液状組成物を強化材に含浸させた中間基材。 meta-xylylene diisocyanate (A);
an alcohol component (B) containing an unsaturated double bond;
An intermediate substrate in which a reinforcing material is impregnated with a curable liquid composition comprising:
不飽和二重結合を含むアルコール成分(B)と、
を含む硬化性液状組成物の部分重合物と、
強化材とを含む中間基材。 meta-xylylene diisocyanate (A);
an alcohol component (B) containing an unsaturated double bond;
a partial polymer of a curable liquid composition containing
an intermediate substrate comprising a reinforcing material;
不飽和二重結合を含むアルコール成分(B)と、
を含む硬化性液状組成物の部分重合物と、
重合性単量体(C)と、
を含む部分重合組成物を強化材に含浸させた中間基材。 meta-xylylene diisocyanate (A);
an alcohol component (B) containing an unsaturated double bond;
a partial polymer of a curable liquid composition containing
a polymerizable monomer (C);
An intermediate substrate having a reinforcing material impregnated with a partially polymerized composition comprising:
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