JP2005307121A

JP2005307121A - 再生炭素繊維及びその回収方法

Info

Publication number: JP2005307121A
Application number: JP2004129768A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Tatsuta; 浩之龍田; Yoshio Iizuka; 佳夫飯塚
Original assignee: Toho Tenax Co Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 2004-04-26
Filing date: 2004-04-26
Publication date: 2005-11-04

Abstract

【課題】再生利用するのに十分な機械的性能と特性を維持した炭素繊維を、炭素繊維強化プラスチックから効率的に回収することが課題。
【解決手段】炭素繊維強化プラスチックを炭化炉で炭化処理し再生炭素繊維を回収するに際し、炭素繊維強化プラスチックの最大径が２０ｍｍ以下である粉砕物を、層厚（嵩高さ）が３００ｍｍ以内になるようにして炭化炉に入れ、処理温度４００℃〜９５０℃で、炉内容量に対して１０〜１００倍／分の不活性ガスを導入しながら、炉内圧力が０．３〜１．０ｍｍＨ_２Ｏの下で炭化処理することを特徴とする方法で、繊維長が２０ｍｍ以下であり、炭素繊維に対する炭化物の付着量が１０％以下で、且つ炭化処理前後の強度低下が１０％以下である再生炭素繊維が得られる。

Description

本発明は、再生炭素繊維及びその回収方法に関する。更に詳しくは、本発明は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を炭化処理し、その際に発生する炭化物の量をコントロールすることにより、再生品として上質の炭素繊維を効率良く取り出す方法と得られた再生炭素繊維に関する。

近年、ごみ処理問題などに非常に多くの関心が集まっており、地球環境保全などの面からも早急な対応が望まれている。繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）は埋め立て処理が主流となっていたが、既にこの処理方法自体が埋立地の減少などの社会問題になっていることから、廃棄されたＦＲＰの再利用（リサイクル）が重要な課題となっている。

これまでＣＦＲＰから炭素繊維を取り出す焼却・熱分解技術としては、例えば、ＣＦＲＰをマトリックス樹脂の分解点以上、炭素繊維の分解点以下の温度で処理して、マトリックス樹脂の分解物で一体化された炭素繊維塊を得る方法、破砕したＣＦＲＰを３〜１８％体積％の酸素濃度で、３００〜６００℃で燃焼させないで処理し、マトリックスのプラスチックを熱分解して炭素繊維を回収する方法、ＣＦＲＰを乾留してプラスチックを炭化物とした後、０．１〜２５体積％の酸素濃度で３００〜１０００℃で燃焼させないで加熱し、炭化物を酸化分解して炭素繊維を得る方法等が知られている。
特開平４−３２３００９特開平６−９９１６０特開平６−２９８９９３特開平７−３３９０４

しかしながら、従来公知のこれらの方法では、再生利用するのに十分な機械的性能と特性を維持した炭素繊維が、必ずしも効率的には得られない。また、これらの方法では炭化物発生の制御が難しく、ＣＦＲＰから取り出された再生炭素繊維の性能を高い水準で保持することは困難であった。

高品位の再生炭素繊維を用いることにより、再生炭素繊維を強化材として強化プラスチックに混入させた場合に、より安定した高品位の強化プラスチックスが得られることが期待される。そこで本発明者らは、再生利用するのに十分な機械的性能と特性を維持した炭素繊維を、効率的に回収することを目的として鋭意研究を行い、ＣＦＲＰを炭化処理する際の炭化処理の手法、樹脂除去率の制御、炭化物量の制御、得られた再生炭素繊維の強度劣化の制御等の方法を確立された技術として提供することができた。

本発明の目的の一つは、炭素繊維強化プラスチックを炭化処理して得られる再生炭素繊維であって、繊維長が２０ｍｍ以下であり、炭素繊維に対する炭化物の付着量が１０％以下で、且つ炭化処理前後の強度低下が１０％以下であることを特徴とする再生炭素繊維によって達成される。

そして、前記のような本発明の再生炭素繊維は、炭素繊維強化プラスチックを炭化炉で炭化処理し再生炭素繊維を回収するに際し、炭素繊維強化プラスチックの最大径が２０ｍｍ以下である粉砕物を、層厚（嵩高さ）が３００ｍｍ以内になるようにして炭化炉に入れ、処理温度４００℃〜９５０℃で、炉内容量に対して１０〜１００倍／分の不活性ガスを導入しながら、炉内圧力が０．３〜１．０ｍｍＨ_２Ｏの下で炭化処理することを特徴とする方法で得られる。

本発明の方法によれば、ＣＦＲＰからの炭化物と炭素繊維の回収が容易で、かつ、炭化物の発生量を制御することにより、高品質で実質的に強度低下のない再生炭素繊維を得ることができる。そして、本発明により得られた再生炭素繊維を、再び強化材として使用した場合、得られるＣＦＲＰは優れた性能を発揮することが期待される。

本発明で得られる再生炭素繊維は、繊維長が２０ｍｍ以下であり、炭素繊維に対する炭化物の付着量が１０％以下で、且つ炭化処理前後の強度低下が１０％以下のものであるが、好ましくは、繊維長が１〜１０ｍｍの範囲にあり、炭素繊維に対する炭化物の付着量が３．５％以下で、且つ炭化処理前後の強度低下が５％以下のものである。

本発明で被処理原料として用いるＣＦＲＰは、マトリックス樹脂を炭素繊維で強化されてなる複合材料である。このようなマトリックス樹脂には、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などの既知の熱硬化性樹脂、ならびにポリプロピレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂などの既知の熱可塑性樹脂が包含される。炭素繊維にはレーヨン糸、ピッチ糸、アクリル糸などを原料として製造される炭素繊維が包含される。ＣＦＲＰの強化材としての形態は特に限定されるものではないが、チョップドファイバー、不織布、織物、一方向材などが包含される。また、ＣＦＲＰ中に含まれる炭素繊維の含有量は、特に限定されるものではないが、一般に１０〜７０重量％ものが用いられる。

本発明は、上記ＣＦＲＰを不活性ガス雰囲気下で炭化処理し、炭素繊維とそれに付着した炭化物とし、得られた再生炭素繊維を強化材として、再び強化プラスチック用に利用できるような、高品質で実質的に強度低下のない再生炭素繊維を提供するものである。その方法は、炭素繊維強化プラスチックを炭化炉で炭化処理し再生炭素繊維を回収するに際し、炭素繊維強化プラスチックの最大径が２０ｍｍ以下である粉砕物を、層厚が３００ｍｍ以内になるようにして炭化炉に入れ、処理温度４００℃〜９５０℃で、炉内容量に対して１０〜１００倍／分の不活性ガスを導入しながら、炉内圧力が０．３〜１．０ｍｍＨ_２Ｏの下で炭化処理することを特徴とする方法である。

炭化に使用する炉は、再生炭素繊維の強度低下を防止する点で不活性ガスの導入が可能な炉であれば良い。炭素繊維強化プラスチックの最大径が２０ｍｍ以下の粉砕物を、層厚が３００ｍｍ以内になるようにして、例えば、金網やトレイの上に載せて、これを前記炉に導入する。不活性ガスの導入量は、被処理原料の材質、種類、量などにもよるが、炉内容積に対して毎分１０〜１００倍量であり、炉内圧が０．３〜１．０ｍｍＨ_２Ｏであることが重要である。経済性、効率性の点から、より好ましくは、その導入量が炉内容積に対して毎分１０〜６０倍量であり、炉内圧が０．５〜１．０ｍｍＨ_２Ｏである。ＣＦＲＰの炭化処理は、窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気下で行うのが適当である。

昇温速度は、特に限定されるものではないが、１０〜２０℃/分が好ましい。処理温度は、炭素繊維の強度劣化を考慮して４００〜９５０℃、好ましくは７００〜９００℃である。処理時間は、通常１〜３時間程度保持することが好ましいが、被処理原料の種類や処理量によって適時選択する必要がある。

本発明においては、ＣＦＲＰの大型成形物を粉砕してものを用いるが、粉砕する場合は、その後の成形加工性を考慮すると、最大径（粉砕片の最大長）で２０ｍｍ以下に破砕するのが適当であり、再利用の容易性から１〜１０ｍｍに破砕することが好ましい。このようなＣＦＲＰの粉砕あるいは微粉砕を行う粉砕機としては、せん断式粉砕機、衝撃式粉砕機、切断式粉砕機、圧縮式粉砕機が適用できるが、粉砕品の形状の均一性、刃の耐久性、安定生産性などの点からせん断式粉砕機が好ましい。粉砕片を炭化処理する際の層厚は、被処理原料の厚さ方向での炭化処理程度を均一にする上で重要である。このような被処理原料の層厚は３００ｍｍ以下が適当であり、特に層厚１５０〜３００ｍｍの範囲にあれば、層厚による炭化処理への影響が少ないため、また回収効率の点でも好ましい。

ＣＦＲＰに含まれる樹脂が、炭化処理されることにより発生する炭化物の量は、再生炭素繊維の強度低下や、再生炭素繊維を再利用して得られたＣＦＲＰの物性低下を招くため可能な限り少なくなることが好ましい。本発明によれば、このような炭化物の量は炭化処理前の樹脂量に対して１０％（重量％を意味する）以下であるが、さらには３．５％以下のものが達成できる。

上記により炭化処理して回収された再生炭素繊維を、再び強化材として使用するための方法は、特に限定されるものではないが、例えば、ボールミルなどの加工方法によって、ボール充てん率と粉砕時間を制御することで、繊維長を制御することが可能であり、このようにして得られた再生炭素繊維とマトリックス樹脂とからマスターペレットを作成し、射出成形などの加工方法によって成形品に加工し、成形品を再利用することが可能となる。

次に本発明を実施例により説明する。なお、本発明において粉砕物の最大径とは、粉砕片の最大長を意味し、粉砕片ｎ＝３０の測定値の平均である。また、炭素繊維の強度低下については、便宜上、ＣＦＲＰに用いられているものと同じ炭素繊維のストランドを、ＣＦＲＰの粉砕物と同じ条件で炭化処理して、炭化処理前後のストランドの強度を求め（ｎ＝１０）、処理前の強度に対する強度低下を％として計算した。繊維の強度は単繊維引張り強度測定装置（オリエンテック社製テンシロン万能試験機ＲＴＣ−１１５０Ａ）によって測定し、繊維直径は光学顕微鏡によって観察した。また、炭化物量は以下の様にして測定した。すなわち、（１）被処理原料ＣＦＲＰ中の炭素繊維含有率をＪＩＳ−Ｋ−７０７５に準拠して測定する。（２）この炭素繊維含有率から計算される炭化処理量に相当する炭素繊維を、ダミーとして別に準備し、この炭素繊維の炭化処理後の重量Ｗ１を測定する。（３）ＣＦＲＰの炭化処理後の（炭素繊維＋炭化物）の重量（Ｗ２）を測定する。（４）炭化物量を、炭化物量（％）＝｛(Ｗ２−Ｗ１)／Ｗ１｝×１００、の式で算出する。

［実施例１〜１０］
内容積２リットルの真空炉を用いて、最大径５．０ｍｍに粉砕した廃ＣＦＲＰの１００ｇを、所定の層厚（５０〜３００ｍｍ）になるように均一に広げ、窒素ガスを、炉内容量に対して５０倍／分で導入しながら、炉内圧力を０．５ｍｍＨ_２Ｏ、処理温度を所定温度（５００〜９００℃）に保って、処理時間２時間で炭化処理を行った。ＣＦＲＰとしては、東邦テナックス社製の炭素繊維プリプレグ（Besfight（登録商標））（原糸：ＨＴＡ−１２Ｋ(強度４．５ＧＰａ、直径７．０μｍ)、エポキシ樹脂３７重量％含有）を１３０℃で２時間硬化させたものを使用した。回収炭素繊維の強度、繊維直径、強度低下（％）、炭化物量（重量％）は表１に示したとおりであった。なお、回収炭素繊維の繊維長は、全て４〜５ｍｍの範囲にあった。

表１から明らかなように、再生した炭素繊維は、再生する前の炭素繊維と比べて平均繊維強度や平均繊維直径の劣化が殆どない。また、炭化物の量は温度とともに減少し、７００℃を超える処理温度にすることで、３％以下に制御できることが確認された。

［比較例１〜３］
処理温度、層厚あるいは窒素ガスの導入量を、本発明の範囲外とする以外は、実施例１の場合と同様にして実験を行い、それらの結果を表１に示した。いずれかの条件が本発明の範囲外の場合は、回収炭素繊維の平均繊維強度の低下、あるいは多量の炭化物が確認された。

本発明によれば、ＣＦＲＰからの炭素繊維の回収が容易で、かつ、炭化物の発生量を制御することにより、高品質で実質的に強度低下のない再生炭素繊維を提供することができる。そして、本発明により得られた再生炭素繊維は、チョップドファイバーもしくはミルドファイバーとして再び強化材として使用することができ、得られたＣＦＲＰは優れた性能を有すること期待される。

Claims

炭素繊維強化プラスチックを炭化処理して得られる再生炭素繊維であって、繊維長が２０ｍｍ以下であり、炭素繊維に対する炭化物の付着量が１０％以下で、且つ炭化処理前後の強度低下が１０％以下であることを特徴とする再生炭素繊維。
繊維長が１〜１０ｍｍの範囲にあり、炭素繊維に対する炭化物の付着量が３．５％以下で、且つ炭化処理前後の強度低下が５％以下であることを特徴とする、請求項１記載の再生炭素繊維。
炭素繊維強化プラスチックを炭化炉で炭化処理し再生炭素繊維を回収するに際し、炭素
繊維強化プラスチックの最大径が２０ｍｍ以下である粉砕物を、層厚が３００ｍｍ以内になるようにして炭化炉に入れ、処理温度４００℃〜９５０℃で、炉内容量に対して１０〜１００倍／分の不活性ガスを導入しながら、炉内圧力が０．３〜１．０ｍｍＨ_２Ｏの下で炭化処理することを特徴とする再生炭素繊維の回収方法。
炭素繊維強化プラスチックの最大径が１〜１０ｍｍの範囲にある粉砕物を、層厚が１５０〜３００ｍｍになるようにして炭化炉に入れ、処理温度７００℃〜９００℃で、炉内容量に対して１０〜６０倍／分の不活性ガスを導入しながら、炉内圧力が０．５〜１．０ｍｍＨ_２Ｏの下で炭化処理することを特徴とする、請求項３記載の再生炭素繊維の回収方法。