CN101889045A - 纤维增强塑料的再利用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可以获得强度特性优异的再利用材料的纤维增强塑料的再利用方法。该方法是包含碳纤维和热固性树脂(环氧树脂)的纤维增强塑料的再利用方法，该方法包括如下工序：热处理纤维增强塑料B，使环氧树脂燃烧并完全飞散，制造无害材料的第一工序；以及在该无害材料上涂布或者散布上胶剂，制造长方形形无害材料B’，一边混炼该长方形形无害材料B’和热塑性树脂(聚丙烯)，一边制造具有作为短纤维的碳纤维的再利用材料的第二工序。
Description
技术领域
本发明涉及纤维增强塑料的再利用方法。
背景技术
碳纤维增强塑料(CFRP)由于质量轻、力学特性优异等原因，其用途遍及汽车产业中的主体部件、航空/宇宙产业中的主体、机翼部件、体育/休闲产业等中的高尔夫球拍、网球拍、钓鱼竿等许多方面。另一方面，使用后的碳纤维增强塑料的废弃处理成了大问题，从影响环境等的观点来看，在盛行材料再利用的当今，并不是单纯的焚烧处理、填埋处理，而是如何再生利用成了大的课题。
这里，作为碳纤维增强塑料部件的处理方法、再利用方法的现有技术，可以举出专利文献1，2。在专利文献1中，公开了关于如下的再利用方法的技术，即，燃烧碳纤维增强塑料的作为基质树脂的热固性树脂，并且在某种程度上残留该热固性树脂而使之形成鳞片状的碳纤维块，一边将其与热塑性树脂片熔融一边混炼，挤压成型后切断而形成颗粒的再利用方法。
另外，在专利文献2中，公开了将FRP片和热塑性塑料材料一边熔融一边混炼，使之冷却固化而形成丸状的含纤维固体物的废弃塑料的处理方法。
专利文献1：日本特开平7-118440号公报
专利文献2：日本特开2001-30245号公报
发明内容
在专利文献1的再利用方法中，作为基质树脂的热固性树脂在某种程度上残留在颗粒内，即，由于热固性树脂并没有利用燃烧而完全无害化，因此即使将其与热塑性树脂混合，残留的热固性树脂也必然成为异物而使颗粒的强度特性降低。这是由于外力(拉伸、弯曲、剪切等)作用在颗粒等上时，成为异物的热固性树脂容易成为破坏的起点，从该破坏起点发生颗粒等的割裂、破裂等，因此其强度特性大大变低。另一方面，专利文献2的废弃塑料的处理方法中，没有经过使热固性树脂完全无害化的工序，与专利文献1的再利用方法一样，再生的含纤维固体物的强度特性极低。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供能够得到强度特性优异、高品质的纤维增强塑料的再利用材料的纤维增强塑料的再利用方法。
为了达成上述目的，本发明的纤维增强塑料的再利用方法，其特征在于，是包含碳纤维和热固性树脂的纤维增强塑料的再利用方法，该方法包括如下工序：热处理所述纤维增强塑料而使热固性树脂燃烧，制造无害材料的第一工序；以及一边混炼所述无害材料和热塑性树脂一边制造再利用材料的第二工序。
本发明的纤维增强塑料的再利用方法是，首先，燃烧作为其基质树脂的热固性树脂，从而将其完全无害化，其次，一边将所制造的无害材料(不存在环氧树脂成分的材料)和热塑性树脂混炼，一边制造再利用材料。例如，从层叠有纤维增强塑料片层的预浸材料(prepreg)切除必要的部位，由残留的废预浸材料制造再利用材料。利用该方法，由于再利用材料内不存在成为异物的热固性树脂，因此可以制造强度特性优异、高品质的再利用材料。
另外，本发明的纤维增强塑料的再利用方法的优选实施方式，其特征在于，在所述第二工序中，在无害材料上涂布或者散布上胶剂(sizingagent)，然后，一边混炼无害材料和热塑性树脂，一边粉碎构成无害材料的碳纤维，制造具有作为短纤维的碳纤维的再利用材料。
经燃烧工序而制造的无害材料，碳纤维飞舞，操作性不好。因此，为了防止碳纤维飞舞和提高操作性、并且提高该碳纤维和热塑性树脂的界面的附着性，在无害材料上预先涂布或者散布上胶剂，其后与热塑性树脂混炼。
接着，一边混炼无害材料和热塑性树脂，一边粉碎构成无害材料的碳纤维，可以制造具有作为短纤维的碳纤维的再利用材料。这里，作为粉碎碳纤维的方法，有通过如下的方法从而在挤压机内粉碎碳纤维的实施方式，即通过首先将无害材料剪切成长方形状，介由宽度至少在该无害材料的厚度以上的投入料斗将无害材料投入挤压机，在挤压机中投入热塑性树脂而混炼两者的方法，从而在挤压机内粉碎碳纤维的实施方式。另外，由于该挤压机可以使用公知的装置，并不会使制造成本高涨。
另外，本发明的纤维增强塑料的再利用方法的优选实施方式，其特征在于，还具备冷却由所述第二工序制造的再利用材料，然后将已冷却的再利用材料进行造粒(pelletize)的第三工序。
除了不冷却、而将经混炼的材料直接片状化的热切割方法之外，例如利用冷却由所述第二工序制造的再利用材料来赋予可抵抗造粒的硬度，其后再进行造粒，从而可以提高造粒的效率。
另外，本发明的纤维增强塑料的再利用方法的优选的实施方式中，其特征在于，所述第一工序中的燃烧温度是满足使热固性树脂燃烧而无害化并且不损伤碳纤维这一条件的温度，为500～900℃的范围。
燃烧温度过高，则碳纤维自身产生裂开微细的孔等的损伤，或者由于燃烧后碳纤维变细而使碳纤维自身具有的拉伸强度特性降低。根据本发明人等的检验，特别限定不产生上述问题的燃烧温度条件为500～900℃的范围。另外，燃烧温度在400℃以下的情况下，作为基质树脂的热固性树脂不完全无害化，因此导致再利用材料的强度特性降低。
另外，本发明的纤维增强塑料的再利用方法的优选实施方式中，其特征在于，所述纤维增强塑料的燃烧时间范围为1～240分钟的范围。
根据本发明人等的检验，作为不降低碳纤维自身具有的拉伸强度特性的条件，除了上述温度条件外，特别限定其燃烧时间也是重要的要素。具体来说，在燃烧温度为900℃左右的情况下，燃烧时间为1～4分钟左右，在燃烧温度为500℃左右的情况下，其燃烧时间在3～4小时左右。利用该燃烧温度条件和燃烧时间的最佳控制，可以在保持碳纤维具有的初期强度(尤其是拉伸强度)的同时制造(再生)强度特性优异的再利用材料。
由以上说明可以了解到，根据本发明的纤维增强塑料的再利用方法，能够在不使制造(再利用)成本高涨的情况下，制造强度特性优异、高品质的再利用材料。
附图说明
图1是示出废预浸材料的俯视图，为示出长方形线(短冊ラィン)的图。
图2是说明在图1的废预浸材料上散布上胶剂的状况的图。
图3是示出沿着图1的长方形线切割将废预浸材料无害化而形成的无害材料从而制成的、长方形状无害材料的图。
图4是说明介由料斗将长方形状的无害材料和聚丙烯投入挤压机，经混炼、冷却、造粒而制造再利用材料的状况的图。
图5是图4的V-V向视图。
图6是示出关于经无害化工序而制造的再利用材料(实施例)和未经无害化工序的现有的再利用材料(比较例)两者的碳含量和拉伸强度的关系的实验结果的曲线图。
图7是示出关于经无害化工序制造的再利用材料(实施例)和未经无害化工序的现有的再利用材料(比较例)两者的碳含量和热变形温度的关系的实验结果的曲线图。
符号说明
B...纤维增强塑料材料，B8...废预浸材料，B’...长方形状的无害材料，B”...挤出束，C1～C7...长方形切割线，S...散布装置，S1...散布喷嘴，T...托盘，U...挤压机，Z...水槽，R1～R4...引导辊，P...造粒机，C...片状再利用材料
具体实施方式
以下参照附图说明本发明的实施方式。图1是示出废预浸材料的俯视图，为示出长方形线的图，图2是说明在图1的废再利用材料上散布上胶剂的状况的图。图3是示出沿着图1的长方形线切割将废预浸材料无害化而形成的无害材料从而制成的、长方形状无害材料的图。图4是说明介由料斗将长方形状的无害材料和作为热塑性树脂的聚丙烯投入挤压机，经混炼、冷却、造粒而制造再利用材料的状况的图，图5为图4的V-V向视图。图6是示出关于经无害化工序制造的再利用材料(实施例)和未经无害化工序的现有的再利用材料(比较例)两者的碳含量和拉伸强度的关系的实验结果的曲线图，图7是示出关于经无害化工序制造的再利用材料(实施例)和未经无害化工序的现有的再利用材料(比较例)两者的碳含量和热变形温度的关系的实验结果的曲线图。另外，作为上述的热塑性树脂，除聚丙烯之外，还有聚乙烯、聚氯乙烯等。
图1示出废预浸材料的一个实施方式。具体来说，从纤维增强塑料材料B切割汽车的强度部件等的所需结构部件B2～B7，经该切割工序而残留下缺齿状的废预浸材料B8。这里，纤维增强塑料材料B为许多碳纤维粘合作为基质树脂的热固性树脂的环氧树脂所形成。每层厚度为0.3～0.7mm左右的片层部件多层层叠而形成纤维增强塑料材料B。另外，作为上述的热固性树脂，除了环氧树脂外，还有酚醛树脂、三聚氰胺树脂等。
首先，在规定的温度环境下对残留的废预浸材料B8进行规定时间的燃烧处理，从而将环氧树脂完全制造成无害材料。这里，燃烧处理以远红外线燃烧、诱导燃烧、火焰处理、电加热等实行。另外，片层部件多层层叠而形成的废预浸材料B8由于各片层之间并不是完全密合，因此在燃烧处理时，热量在片层之间充分扩散，能够使环氧树脂完全燃烧。
这里，本发明人等的关于不损伤废预浸材料B8中的碳纤维的燃烧温度条件以及燃烧时间的实验结果表示在下表1中。另外，该实验中，根据有关燃烧处理后的预浸材料的SEM图像而确认了其损伤程度。表中，残留有环氧树脂的表示为×，环氧树脂没有残留、但是碳纤维损伤了(纤维上开孔，纤维束散乱等)的表示为△，环氧树脂没有残留、且碳纤维没有损伤的表示为○。
表1
在表1中评价为○的燃烧温度和燃烧时间的组合条件下，燃烧处理废预浸材料B8，制造无害材料。
接下来，如图2所示，将无害材料B8载置于托盘T内，介由设置于该托盘T上的散布装置S的散布喷嘴S1、......，将与热塑性树脂相容性好的上胶剂散布在无害材料B8上。这里，上胶剂为适应热塑性树脂而选择使用的上胶剂，是用于防止碳纤维散乱、或者提高碳纤维与在后续工序中被混炼的热塑性树脂的界面的附着性的上胶剂，是以聚丙烯酸系聚合物等为成分的液体。
接下来，将表面散布有上胶剂的无害材料B8从托盘T取出，使上胶剂完全干燥之后，沿着如图1所示的长方形切割线C1～C7进行切割，从而制造如图3所示的长方形状的无害材料B’、......。这里，该图所表示的各长方形状无害材料B’的宽度可大约为10mm左右。
接下来，如图4所示，介由投入料斗H1将长方形状无害材料B’、......投入到挤压机U(X1方向)。该投入料斗H1的开口狭缝设定为宽0.8mm左右、长15mm左右，利用未图示的辊将无害材料B’供给到挤压机U内。
在挤压机U中，除了无害材料B’用的投入料斗H1以外，还装配有用于供给热塑性树脂(聚丙烯)的其他料斗H2，介由该料斗H2将聚丙烯供给到挤压机U内(X2方向)，一边用挤压机U内的螺杆将长方形状的无害材料B’、......和聚丙烯混炼，一边向前方的水槽侧挤出(Y1方向)。另外，无害材料B’相对于聚丙烯和长方形状的无害材料B’的整体重量的比例调整为5～20重量％左右为好。
在挤压机U的前方放置加满水W的水槽Z，该水槽Z内安装有将从挤压机U挤出的混炼材料引导向水槽下方(Y2方向)的引导辊R1、以及在水槽下方用于向前方引导的引导辊R2、将在水槽下方挤出的(Y3方向)混炼材料在水槽的前方下方接收并同时引导到其上方的引导辊R3、最后将混炼材料向水槽外导出(Y4方向)的引导辊R4。
在水槽Z内经引导期间被冷却，生成体现出规定强度的挤出束B”。
这里，图5中示出从上方观察引导辊R2的俯视图。而且，其他的引导辊也为同样的方式。
引导辊R2呈沿其长边方向具有多个弯曲状凹部的形状，利用该弯曲形状成型多个棒状束B”。
回到图4，介由引导辊R4向水槽外挤出的束B”、......进一步由其前方放置的造粒机P切片化，成型为片状再利用材料C、......。另外，该片状再利用材料C中的碳纤维为0.1～3mm左右的短纤维。
成型的再利用材料C、......，其内部的碳纤维没有损伤，作为基质树脂的聚丙烯内没有混入环氧树脂，因此形成了拉伸强度特性优异、而且不存在由于外力而成为破坏起点的脆弱部分的再利用材料。
[关于经无害化工序制造的再利用材料(实施例)和没有经过无害化工序的现有再利用材料(比较例)两者的碳含量和拉伸强度的关系的实验及其结果]
本发明人等准备了如下的试验片，即，为经无害化工序制造的再利用材料(实施例)和现有的未经无害化工序的再利用材料(比较例)两者的实验片、且使碳添加量(碳纤维含量)变化的情况下的实验片，分别测定各自的拉伸强度。其结果示于图6。
在图6中分别由Q1示出实施例，Q2示出比较例。从图上可以看出随着碳含量的增加而拉伸强度的背离变得显著的倾向，碳含量为20重量％时，结果为相对于比较例，实施例的强度高至约2.3倍左右。另外，该曲线图中未示出碳添加量超过20重量％的范围，但是根据发明人的验证可知，碳添加量超过20重量％的范围时，基质树脂量变得太少，反而有强度变低的倾向。
[关于经无害化工序制造的再利用材料(实施例)和未经无害化工序的现有再利用材料(比较例)两者的碳含量和热变形温度的关系的实验及其结果]
另外，本发明人等在实施例和比较例中进行了两者的热变形温度、即耐热性的比较实验。而且，在该实验中也使碳含量变化，制作了实验试件。其结果示于图7。
在图7中分别由Q1示出实施例，Q2示出比较例。从图上验证，碳添加量为0.5重量％、10重量％、20重量％中任何一种的情况下，相对于未无害化的比较例，经无害化的实施例的耐热性能提高，尤其是在碳添加量为10重量％、20重量％的实施例中，热变形温度(耐热温度)提高到3倍左右。
从图6、7的实验结果也可知，利用本发明的纤维增强塑料的再利用方法制造的再利用材料，拉伸强度特性、耐热性比起现有的再利用材料均特别优异，是制造需要任何一方面特性或者两方面特性的部件的合适材料。
以上，使用附图详细说明了本发明的实施方式，但具体的构成并不仅限于该实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内的设计变更等也包含在本发明内。
Claims (6)
1.一种纤维增强塑料的再利用方法，所述纤维增强塑料包含碳纤维和热固性树脂，该纤维增强塑料的再利用方法包括如下工序：
热处理所述纤维增强塑料而使热固性树脂燃烧，制造无害材料的第一工序；以及
一边混炼所述无害材料和热塑性树脂，一边制造再利用材料的第二工序。
2.根据权利要求1所述的纤维增强塑料的再利用方法，其中，在所述第二工序中，在无害材料上涂布或者散布上胶剂，然后，一边混炼无害材料和热塑性树脂，一边粉碎构成无害材料的碳纤维，制造具有作为短纤维的碳纤维的再利用材料。
3.根据权利要求1或2所述的纤维增强塑料的再利用方法，其中，该方法还具备冷却由所述第二工序制造的再利用材料、然后将已冷却的再利用材料进行造粒的第三工序。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的纤维增强塑料的再利用方法，其中，在所述第二工序中，将无害材料剪裁成长方形状，介由具有宽度至少在该无害材料的厚度以上的投入料斗将无害材料投入挤压机，向挤压机中投入热塑性树脂，混炼无害材料和热塑性树脂。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的纤维增强塑料的再利用方法，其中，所述第一工序中的燃烧温度是满足使热固性树脂燃烧而无害化、并且不损伤碳纤维这一条件的温度，为500～900℃的范围。
6.根据权利要求5所述的纤维增强塑料的再利用方法，其中，所述纤维增强塑料的燃烧时间范围为1～240分钟的范围。
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