JP7563893B2 - 複合材料の製造方法 - Google Patents
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Description
第1温度(T1)で前記プリプレグを30分間以上保持し、前記樹脂組成物を繊維に含浸させる第1加熱工程と、
第1温度(T1)より高い第3温度(T3)で保持し、樹脂組成物を硬化させる硬化工程と、
を有する複合材料の製造方法であり、
第1温度(T1)が下記式(1)を満たすことを特徴とする複合材料の製造方法。
Tb≦T1≦Ta ・・・(1)
Ta:樹脂組成物が最低粘度を示す温度
Tb:樹脂組成物の粘度が100[Pa・s]を示す温度
T2=Tc±20[℃] ・・・(2)
Tc:熱重量・質量分析装置(TG-MS)で10[℃/分]の昇温速度で測定された前記プリプレグのトータルイオンカレントクロマトグラム(TIC)において、90~180[℃]の範囲内で観測されるピークの内、最大ピークを示すピーク温度
(a)成分:ビスマレイミド化合物、
(b)成分:アルケニルフェノール化合物及び/又はアルケニルフェノールエーテル化合物、
を必須成分として含有する〔1〕に記載のプリプレグの成形方法。
本発明の複合材料の製造方法は、所定のプリプレグが所定の条件で成形される。
本発明の製造方法が適用されるプリプレグは、繊維強化基材と、未硬化状態のビスマレイミド樹脂を含んで成るビスマレイミド系樹脂組成物と、から成り、当該ビスマレイミド系樹脂組成物の一部又は全部が繊維強化基材内に含浸していることによって、予め一体化されているプリプレグである。
本発明のプリプレグ成形法においては、プリプレグを温度(T1)で30分間以上保持する第1加熱工程を有する。温度(T1)は、ビスマレイミド系樹脂化合物の硬化温度T3よりも低い温度である。第1加熱工程は、プリプレグを構成するビスマレイミド系樹脂組成物の流動性が高い状態で、繊維強化基材内に含浸させて、繊維強化基材内の空隙とビスマレイミド系樹脂組成物とを真空加熱下で置換して、プリプレグから空隙を除去する工程である。
Tb≦T1≦Ta ・・・・(1)
Ta:樹脂組成物が最低粘度を示す温度
Tb:樹脂組成物の粘度が100[Pa・s]を示す温度
Td:樹脂組成物の粘度が50[Pa・s]を示す温度(ただし、Td≦Ta)
Te:樹脂組成物の粘度が15[Pa・s]を示す温度(ただし、Te≦Ta)
本発明のプリプレグ成形法においては、前述の第1加熱工程の後であって、ビスマレイミド系樹脂組成物の硬化前に、プリプレグを温度(T2)で30分間以上保持する第2加熱工程を有することが好ましい。第2加熱工程は、プリプレグに残存する水分やビスマレイミド系樹脂組成物の化学反応に起因して生じる揮発性成分を真空加熱下で除去する工程である。
T2=Tc±20[℃] ・・・(2)
Tc:熱重量・質量分析装置(TG-MS)で10[℃/分]の昇温速度で測定された前記プリプレグのトータルイオンカレントクロマトグラム(TIC)において、90~180[℃]の範囲内で観測されるピークの内、最大ピークを示すピーク温度。
なお、トータルイオンカレントクロマトグラム(TIC)とは、イオン源で生成した全てのイオンの総和を縦軸に、時間を横軸に表したチャートである。
この温度で30分間以上加熱することにより、高圧で加圧することなく、主としてビスマレイミド系樹脂組成物に由来する揮発性成分をプリプレグから十分に除去することができる。加熱温度が(Tc-20)[℃]以上であれば、揮発性成分が特に十分に除去される。加熱温度が(Tc+20)[℃]以下であれば、揮発性成分が除去される前に、ビスマレイミド系樹脂組成物の部分的な硬化反応による増粘が生じ難いため、揮発性成分が特に十分に除去される。その結果、プリプレグから生じる揮発性成分に起因して、得られる繊維強化複合材料にボイドが生じることを特に抑制できる。
本発明のプリプレグ成形法においては、前述の第1加熱工程及び/又は第2加熱工程の後、所定の温度以上に加熱してビスマレイミド系樹脂組成物を硬化させる硬化工程を有する。
本発明の複合材料の製造方法が適用されるプリプレグは、繊維強化基材と、未硬化状態のビスマレイミド樹脂を含んで成るビスマレイミド系樹脂組成物と、から成る。
ビスマレイミド樹脂組成物としては、公知のビスマレイミド化合物と、必要により添加する熱可塑性樹脂やフィラー、顔料等の各種添加剤と、を含んで成る。
ビスマレイミド樹脂組成物に配合されるビスマレイミド化合物(以下、BMIともいう)としては、従来公知のビスマレイミド化合物を用いることができる。例えば、下記化学式(1)で表されるビスマレイミド化合物が挙げられる。
ビスマレイミド化合物が芳香環構造を含む(以下、「芳香族ビスマレイミド化合物」ともいう)場合、化学式(1)中のXは、以下の化学式(2)~(8)に記載する構造であることが好ましい。
ビスマレイミド化合物が芳香環構造を含まない(以下、「脂肪族ビスマレイミド化合物」ともいう)場合、化学式(1)中のXは、以下の化学式(9)~(11)に記載する構造であることが好ましい。
ビスマレイミド系樹脂組成物には、アルケニルフェノール化合物及び/又はアルケニルフェノールエーテル化合物が含まれていても良い。アルケニルフェノールエーテル化合物は、フェノール系化合物とアルケニルハライドとの反応により得られる。また、本樹脂組成物に配合されるアルケニルフェノールエーテル化合物は、アルケニルフェノールエーテル化合物をクライゼン転移することにより得られる(特開昭52-994号公報)。本発明においては、アルケニルフェノール化合物及び/又はアルケニルフェノールエーテル化合物には、その転移構造体が含まれていてもよい。
化学式(13)のうち、以下の化学式(14)の化合物は特に好ましい。
本樹脂組成物は、熱可塑性樹脂を含有することが好ましい。熱可塑性樹脂としては、公知の熱可塑性樹脂を使用することができる。アルケニルフェノール化合物及び/又はアルケニルフェノールエーテル化合物に可溶な熱可塑性樹脂(以下、「可溶性熱可塑性樹脂」ともいう)、アルケニルフェノール化合物及び/又はアルケニルフェノールエーテル化合物に不溶な熱可塑性樹脂(以下、「不溶性熱可塑性樹脂」ともいう)のいずれも用いることができる。
本樹脂組成物には、耐熱性、成形加工性及び靱性を損なわない限り、他の成分を含有させることができる。他の成分として、重合防止剤、導電性粒子、導電性フィラー、無機フィラー、ゴム状成分、靭性付与剤、安定剤や離型剤、着色剤、増粘剤等が例示される。増粘剤の添加により、樹脂組成物の粘度を調整することができる。
本プリプレグにおいて、強化繊維基材を構成する強化繊維としては、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を挙げることができる。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く、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炭素繊維がより好ましく、炭素繊維の中でも、引張強度に優れるポリアクリロニトリル(PAN)系炭素繊維が特に好ましい。
本発明の成形方法によって作製される繊維強化複合材料は、ボイド率が1[%]以下であることが好ましく、0.1[%]以下であることがより好ましい。
本発明におけるボイド率は、繊維強化複合材料の断面写真の画像解析によって測定される値を意味する。
・BMI1100-H:BMI-1100H(商品名)(N,N’-4,4’-ジフェニルメタンビスマレイミド、 大和化成工業(株)社製)
・TDAB:Compimide TDAB(商品名)(2,4-ビスマレイミドトルエン、 Evonik Industries AG社製)
[脂肪族ビスマレイミド化合物]
・BMI-TMH:BMI-TMH(商品名)(1,6’-ビスマレイミド-(2,2,4-トリメチル)ヘキサン、 大和化成工業(株)社製)
[共反応物質]
・DABPA:DABPA(商品名)(2,2’-ジアリルビスフェノールA、 大和化成工業(株)社製)
・Ultem1000-1000(商品名)粉砕物(ポリエーテルイミド、 SABICイノベーティブプラスチック社製、 平均粒子径15[μm])
・AURUM PD450M(商品名)(ポリイミド、三井化学(株)製)
・P84(商品名)(ポリイミド、HP Polymers社製)
・“テナックス”(商品名)IMS 65 E 23 24K 830tex(炭素繊維ストランド、 帝人(株)社製、 引張弾性率:290[GPa])
・“テナックス”(商品名)HTS 40 E 13 6K 400tex(炭素繊維ストランド、 帝人(株)社製、 引張弾性率:240[GPa])
・“テナックス”(商品名)UMS 55 F 23 12K 360tex(炭素繊維ストランド、 帝人(株)社製、 引張弾性率:550[GPa])
BMIプリプレグを[45°/-45°/0°/90°]5sで積層し、表1に示す成形条件で硬化させ、コンポジットを得た。コンポジットの中央部をカットし、デジタルマイクロスコープ VHX-5000(キーエンス社製)にて断面画像を取得した。VHX-5000の自動面積計測機能により、ボイド率を計測した。
ASTM-D2344試験法に準拠して測定した。参考例1と比較して低下した割合を層間剪断強度低下率(ILSS低下率)とした。
[損傷後圧縮強度(CAI)]
ASTM-D7136及びASTM-D7137試験法に準拠して測定した。
ティー・エイ・インスツルメント社製レオメーターARES-RDAを用いてビスマレイミド系樹脂組成物の粘度測定を行った。直径40mmのパラレルプレートを用い、パラレルプレート間の樹脂の厚さを0.5mmとし、角速度10ラジアン/秒の条件で昇温速度2℃/分で200℃までの粘度測定を行い、得られた温度-粘度曲線からTa、Tb、Td、Teを読み取った。
Ta:樹脂組成物が最低粘度となる温度
Tb:樹脂組成物の粘度が100[Pa・s]となる温度
Td:樹脂組成物の粘度が50[Pa・s]となる温度(ただし、最低粘度となる温度Taより低い温度)
Te:樹脂組成物の粘度が15[Pa・s]をなる温度(ただし、最低粘度となる温度Taより低い温度)
NETZSCH社製TG-DSC/DTA STA 449 F1 JupiterにNETZSCH社製質量分析計 QMSを接続した装置を用いてプリプレグの熱重量・質量分析測定を行った。He雰囲気下で昇温速度2℃/分で室温から180℃までの熱重量・質量分析測定を行い、得られたトータルイオンカレントクロマトグラム(TIC)からTcを読み取った。
Tc:熱重量・質量分析装置(TG-MS)で10[℃/分]の昇温速度で測定された前記プリプレグのトータルイオンカレントクロマトグラム(TIC)において、90~180[℃]の範囲内で観測されるピークの内、最大ピークを示すピーク温度。
トータルイオンカレントクロマトグラム(TIC):イオン源で生成した全てのイオンの総和を縦軸に、横軸に時間で表したチャート。
[製造例1]
表1の製造例1に示す組成でビスマレイミド系樹脂組成物を調製した。このビスマレイミド系樹脂組成物のTaは123[℃]、Tbは63[℃]、Tdは70[℃]、Teは82[℃]であった。
このビスマレイミド系樹脂組成物を、フィルムコーターを用いて、片面樹脂フィルムを目付け50[g/m2]で離型フィルム上に塗布し、樹脂シートを得た。次に、樹脂シート2枚の間に、炭素繊維(IMS 65)ストランドを供給して一方向に均一に配列(炭素繊維体積含有率57[体積%]、目付け190[g/m2])させることにより、炭素繊維ストランドをシート状にし、ローラーを用いて100[℃]で加圧及び加熱してプリプレグを得た。このプリプレグの熱重量・質量分析測定(TG-MS)のトータルイオンカレントクロマトグラム(TIC)における、90~180[℃]の範囲内で観測されるピークの内、最大ピークを示すピーク温度(Tc)は135[℃]であった。
表1の製造例2に示す組成でビスマレイミド系樹脂組成物を調製した。このビスマレイミド系樹脂組成物のTaは125[℃]、Tbは64[℃]、Tdは69[℃]、Teは82[℃]であった。 このビスマレイミド系樹脂組成物を、フィルムコーターを用いて、片面樹脂フィルムを目付け50[g/m2]で離型フィルム上に塗布し、樹脂シートを得た。次に、樹脂シート2枚の間に、炭素繊維(IMS 65)ストランドを供給して一方向に均一に配列(炭素繊維体積含有率57[体積%]、目付け190[g/m2])させることにより、炭素繊維ストランドをシート状にし、ローラーを用いて100[℃]で加圧及び加熱してプリプレグを得た。このプリプレグの熱重量・質量分析測定(TG-MS)のトータルイオンカレントクロマトグラム(TIC)における、90~180[℃]の範囲内で観測されるピークの内、最大ピークを示すピーク温度(Tc)は135[℃]であった。
表1の製造例3に示す組成でビスマレイミド系樹脂組成物を調製した。このビスマレイミド系樹脂組成物のTaは150[℃]、Tbは60[℃]、Tdは66[℃]、Teは79[℃]であった。このビスマレイミド系樹脂組成物を、フィルムコーターを用いて、片面樹脂フィルムを目付け50[g/m2]で離型フィルム上に塗布し、樹脂シートを得た。次に、樹脂シート2枚の間に、炭素繊維(IMS 65)ストランドを供給して一方向に均一に配列(炭素繊維体積含有率57[体積%]、目付け190[g/m2])させることにより、炭素繊維ストランドをシート状にし、ローラーを用いて100[℃]で加圧及び加熱してプリプレグを得た。このプリプレグの熱重量・質量分析測定(TG-MS)のトータルイオンカレントクロマトグラム(TIC)における、90~180[℃]の範囲内で観測されるピークの内、最大ピークを示すピーク温度(Tc)は135[℃]であった。
表1の製造例4に示す組成でビスマレイミド系樹脂組成物を調製した。このビスマレイミド系樹脂組成物のTaは123[℃]、Tbは63[℃]、Tdは70[℃]、Teは82[℃]であった。このビスマレイミド系樹脂組成物を、フィルムコーターを用いて、片面樹脂フィルムを目付け50[g/m2]で離型フィルム上に塗布し、樹脂シートを得た。次に、樹脂シート2枚の間に、炭素繊維(HTS 40)ストランドを供給して一方向に均一に配列(炭素繊維体積含有率57[体積%]、目付け190[g/m2])させることにより、炭素繊維ストランドをシート状にし、ローラーを用いて100[℃]で加圧及び加熱してプリプレグを得た。このプリプレグの熱重量・質量分析測定(TG-MS)のトータルイオンカレントクロマトグラム(TIC)における、90~180[℃]の範囲内で観測されるピークの内、最大ピークを示すピーク温度(Tc)は135[℃]であった。
表1の製造例5に示す組成でビスマレイミド系樹脂組成物を調製した。このビスマレイミド系樹脂組成物のTaは123[℃]、Tbは63[℃]、Tdは70[℃]、Teは82[℃]であった。このビスマレイミド系樹脂組成物を、フィルムコーターを用いて、片面樹脂フィルムを目付け50[g/m2]で離型フィルム上に塗布し、樹脂シートを得た。次に、樹脂シート2枚の間に、炭素繊維UMS55ストランドを供給して一方向に均一に配列(炭素繊維体積含有率57[体積%]、目付け190[g/m2])させることにより、炭素繊維ストランドをシート状にし、ローラーを用いて100[℃]で加圧及び加熱してプリプレグを得た。このプリプレグの熱重量・質量分析測定(TG-MS)のトータルイオンカレントクロマトグラム(TIC)における、90~180[℃]の範囲内で観測されるピークの内、最大ピークを示すピーク温度(Tc)は135[℃]であった。
表1の製造例6に示す組成でビスマレイミド系樹脂組成物を調製した。このビスマレイミド系樹脂組成物のTaは123[℃]、Tbは63[℃]、Tdは70[℃]、Teは82[℃]であった。このビスマレイミド系樹脂組成物を、フィルムコーターを用いて、片面樹脂フィルムを目付け50[g/m2]で離型フィルム上に塗布し、樹脂シートを得た。次に、樹脂シート2枚の間に、炭素繊維(IMS 65)ストランドを供給して一方向に均一に配列(炭素繊維体積含有率65[体積%]、目付け270[g/m2])させることにより、炭素繊維ストランドをシート状にし、ローラーを用いて100[℃]で加圧及び加熱してプリプレグを得た。このプリプレグの熱重量・質量分析測定(TG-MS)のトータルイオンカレントクロマトグラム(TIC)における、90~180[℃]の範囲内で観測されるピークの内、最大ピークを示すピーク温度(Tc)は135[℃]であった。
製造例1で得たプリプレグを[45°/-45°/0°/90°]5sのように積層し、オートクレーブ内で圧力0.6[MPa]条件下で、温度(T3)180[℃]で硬化させ、繊維強化複合材料を得た。温度(T1)及び温度(T2)による段階的な加熱は行わなかった。この繊維強化複合材料のボイド率は0.04[%]であった。
製造例1で得たプリプレグを[45°/-45°/0°/90°]5sのように積層し、オートクレーブ内で圧力0.3[MPa]条件下で、表2に示す温度(T1)、時間で保持した後、温度(T3)180[℃]で硬化させ、繊維強化複合材料を得た。温度(T2)による加熱は行わなかった。この繊維強化複合材料のボイド率と参考例1に対するILSS低下率は表2に示す通りであった。第1加熱工程のT1が、式(1):Tb(63[℃])≦ T1(90[℃])≦ Ta(123[℃])を満たす実施例1は、従来の高圧力を用いるオートクレーブ成形法(参考例1)によって成形した繊維強化複合材料とほぼ同等の性能を有していた。
製造例1で得たプリプレグを[45°/-45°/0°/90°]5sのように積層し、オートクレーブ内で表3に示す圧力条件下で、温度(T1)90[℃]で60分間保持した後、表3に示す温度(T2)、時間で保持し、温度(T3)180[℃]で硬化させ、繊維強化複合材料を得た。この繊維強化複合材料のボイド率と参考例1に対するILSS低下率は表3に示す通りであった。第1加熱工程と第2加熱工程を有する実施例4~6は、より良好な結果であった。
不溶性熱可塑性樹脂の異なるプリプレグを使用した以外は実施例6と同様に操作して、繊維強化複合材料を得た。この繊維強化複合材料のボイド率と参考例1に対するILSS低下率、耐衝撃性(CAI)は表4に示す通りであった。不溶性熱可塑性樹脂を変更しても、良好な結果は維持された。
炭素繊維銘柄の異なるプリプレグを使用した以外は実施例6と同様に操作して、繊維強化複合材料を得た。この繊維強化複合材料のボイド率は表5に示す通りであった。糸銘柄を変更しても、良好な結果は維持された。
製造例6のように繊維体積含有率の高いプリプレグを[45°/-45°/0°/90°]5sのように積層し、オートクレーブ内で圧力0.3[MPa]条件下で表6に示す温度(T1)、温度(T2)で表6に示す時間保持し、温度(T3)180[℃]で硬化させ、繊維強化複合材料を得た。この繊維強化複合材料のボイド率と参考例1に対するILSS低下率は表6に示す通りであった。炭素繊維体積含有率が高くなると、相対的な樹脂の量が減少し、成形時のボイドが増える傾向にある。しかし、第1加熱工程や第2加熱工程を入れることで、炭素繊維体積含有率の高い実施例11、12でも良好な結果であることが確認された。
Claims (6)
- 繊維強化基材と、ビスマレイミド樹脂を含む樹脂組成物と、から成り、前記ビスマレイミド樹脂として芳香族ビスマレイミド化合物を前記樹脂組成物の全質量に対して20~80質量%で含んで成るプリプレグを硬化させる工程を有する複合材料の製造方法であって、
第1温度(T1)で前記プリプレグを30分間以上保持し、前記樹脂組成物を繊維に含浸させる第1加熱工程と、
第1温度(T1)より高い第3温度(T3)で保持し、前記樹脂組成物を硬化させる硬化工程と、
を有する複合材料の製造方法であり、
第1温度(T1)が下記式(1)を満たすことを特徴とする複合材料の製造方法。
Tb≦T1≦Ta ・・・(1)
Ta:前記樹脂組成物が最低粘度を示す温度
Tb:前記樹脂組成物の粘度が100[Pa・s]を示す温度 - 前記第1加熱工程と前記硬化工程との間に、第2温度(T2)で前記プリプレグを30分間以上保持する第2加熱工程を更に有する複合材料の製造方法であり、第2温度(T2)が、下記式(2)を満たす請求項1に記載の複合材料の製造方法。
T2=Tc±20[℃] ・・・(2)
Tc:熱重量・質量分析装置(TG-MS)で10[℃/分]の昇温速度で測定された前記プリプレグのトータルイオンカレントクロマトグラム(TIC)において、90~180[℃]の範囲内で観測されるピークの内、最大ピークを示すピーク温度 - 第1温度(T1)<第2温度(T2)<第3温度(T3)である請求項2に記載の複合材料の製造方法。
- 成形時の圧力が0.5[MPa]以下である請求項1に記載の複合材料の製造方法。
- 前記繊維強化基材が炭素繊維である請求項1に記載の複合材料の製造方法。
- 前記樹脂組成物が、以下の(a)乃至(b)成分
(a)成分:ビスマレイミド化合物、
(b)成分:アルケニルフェノール化合物及び/又はアルケニルフェノールエーテル化合物、
を必須成分として含有する請求項1に記載の複合材料の製造方法。
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