JP2013199607A - 炭素繊維の回収方法 - Google Patents

Abstract

【課題】廃棄炭素繊維強化プラスチック（以下、廃ＣＦＲＰ）のマトリックス樹脂の分解によって、廃ＣＦＲＰから補強材として再使用可能な高品位な炭素繊維を工業的に効率よくかつ安全に回収できる炭素繊維の回収方法を提供する。
【解決手段】炭素繊維をマトリックス樹脂中に含む廃ＣＦＲＰ１００を加熱して、この廃ＣＦＲＰ１００中のマトリックス樹脂を分解処理し、処理後に残った分解処理物２００から炭素繊維を回収する炭素繊維の回収方法であって、外熱式ロータリーキルンＡの処理筒となる内筒１１の一方から廃ＣＦＲＰ１００を投入し、内筒１１の回転に伴って廃ＣＦＲＰ１００を内筒１１の他方に向かって転動搬送するとともに、転動搬送中の廃ＣＦＲＰ１００を内筒１１内で過熱水蒸気に曝してマトリックス樹脂を分解処理する分解処理工程を備えている構成とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、廃棄炭素繊維強化プラスチックからの炭素繊維の回収方法に関する。

高分子系の複合材料である炭素繊維強化プラスチック（以下、「ＣＦＲＰ」と記す）は、炭素繊維（ＣＦ）がマトリックス樹脂中に分散されていて、軽量である上、比強度や比剛性が高いため、身近なところでは、ゴルフシャフトやテニスラケット、釣竿などに幅広く利用されている。また、最近では大型航空機の翼や胴体など主要構造部材にも使用されている。
かかるＣＦＲＰ製品は、たとえば、手編み法やＲＴＭ（レジントランスファーモールド）法や半硬化状態で提供されるプリプレグをホットプレスすることによって成形・製造される。
しかし、航空機の場合、安全性が非常に重要であるため、特に品質が第一に考えられるため、ＣＦＲＰの歩留まりは５０％と言われる。すなわち、トリミングのため、廃棄される部位も少なくない。また、型に合せて切断された、あるいは期限切れのプリプレグも廃棄される。

上記廃棄されるＣＦＲＰ（以下、「廃ＣＦＲＰ」と記す）は、炭素繊維が通常の状態では不燃であるため、その最終廃棄処理は極めて面倒である。したがって、従来は破砕され、埋め立て処分されていた。
しかし、炭素繊維はその製造時に多くのエネルギーを消費するだけに、上記のように処分するのは、非常に無駄が多く、再利用が望まれている。

そこで、廃ＣＦＲＰから炭素繊維を回収する方法として、たとえば、特許文献１のように、廃ＣＦＲＰを高温不活性ガス雰囲気中に放置し、無酸素状態で廃ＣＦＲＰ中のマトリックス樹脂を熱分解する方法（以下、「熱分解法」と記す）や、たとえば、特許文献２，３のように、内部に予熱ゾーン、加熱ゾーン、冷却ゾーンを順に備え、予熱ゾーン側に設けられた導入口から冷却ゾーン側に設けられた排出口まで貫通するように、無端のメッシュベルトが配置されトンネル状をした電気炉内を有酸素雰囲気の状態で導入口からメッシュベルトを介して廃ＣＦＲＰを電気炉内に導入し、導入された廃ＣＦＲＰがメッシュベルトによって排出口まで搬送される間に廃ＣＦＲＰのマトリックス樹脂を焼却する方法（以下、「焼却法」と記す）が既に提案されている。

しかし、上記の熱分解法や焼却法においては、それぞれ以下のような問題を備えている。
（１）熱分解法
熱分解法の場合、６００〜７００℃の高温雰囲気下でも酸素がないため、炭素繊維の酸化劣化が防げる。
しかしながら、熱分解法の場合、マトリックス樹脂の炭化が進むため、熱分解残渣を解繊して炭素繊維を分離しようとしても解繊が難しく、互いに完全に素線化して、実用に耐えるような２ｃｍ以上の長い炭素繊維を回収することが極めて難しい。また、この方法では、大気中に放出できない分解ガスも生じる。したがって、これを適切に処理するため、アフターバーナーが必要である上、不活性ガスを昇温するため、エネルギーコストも高くなる。しかも、連続的に処理しようとした場合、廃ＣＦＲＰの投入、排出口からの空気の流入が避けられず、酸素濃度を緻密に制御することは難しい。加えて、高温・低酸素状態の未燃ガスが充満した炉中に酸素が流入した場合、急速な燃焼（＝爆燃）も避けられず、時として炉の破損や、人身事故も起こる危険がある。また、炭素繊維の燃焼を避ける程度の低／無酸素下でのマトリックス樹脂の熱分解は極めて時間を有する。
（２）焼却法
焼却法の場合、装置は極めて簡単で、廃棄CFRPは自燃する。したがって、マトリックス樹脂のＣが燃焼するため、燃焼後の残渣を解繊して炭素繊維を回収することは容易である。
しかしながら、有酸素雰囲気下で炭素繊維の温度が800℃を超えると炭素繊維の表面酸化が顕著となり、表面に凹みが生じ、繊維特性が急激に劣化する。また、剛性の顕著な低下は認められないものの、得られる再生炭素繊維の強度はバージン材に比べて引張り強度が1/4〜1/5に低下する。そこで、できれば、600℃以下で燃焼を継続する必要があるが、低温での燃焼のため、未燃焼・分解ガスが生じる。これを適切に処理するため、アフターバーナーが必要である。また、タール成分も生じて、電気炉等の処理装置内に溜まって、処理装置のメンテナンス頻度が高くなる。

これに対し、特許文献４には、８００℃以上の過熱水蒸気によってマトリックス樹脂を分解除去する方法が提案されている。
すなわち、過熱水蒸気は、１００℃の飽和水蒸気をさらに二次的なエネルギーを加えることによって数百度のエネルギーを得た高温蒸気としたもので、高温空気と比べて約4倍の熱容量を持っている。
したがって、ほぼ無酸素状態でマトリックス樹脂を短時間で分解処理することができる。
なお、その分解プロセスは、たとえば、以下の通りである。
H₂O ⇒ （過熱水蒸気）H⁺ ＋OH^-
樹脂（H−C−O、H−C−O−N／Cl［残存］）⇒ H₂O、CO₂、N₂、HCl などに分解される。

特開2005-307121号公報 特開2008-285600号公報 特開2008-285601号公報 特開2011-122032号公報

しかし、上記特許文献４に提案された方法では、上記のように使用過熱水蒸気の温度が８００℃以上と極めて高く、回収された炭素繊維は、補強繊維として再使用するには、品質が高いとは言えない。
また、特許文献４は、実験レベルの提案であり連続処理作業などの作業効率にまでは言及されていない。加えて、８００℃以上と極めて高温の過熱水蒸気を得ることは容易ではなく、エネルギーコストも高い。

本発明は、上記事情に鑑みて、廃ＣＦＲＰのマトリックス樹脂の分解によって、廃ＣＦＲＰから補強材として再使用可能な高品位な炭素繊維を工業的に効率よくかつ安全に回収できる炭素繊維の回収方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明にかかる炭素繊維の回収方法（以下、「本発明の回収方法」と記す）は、炭素繊維をマトリックス樹脂中に含む廃ＣＦＲＰを加熱して、この廃ＣＦＲＰ中のマトリックス樹脂を分解処理し、処理後に残った炭素繊維を回収する炭素繊維の回収方法であって、過熱水蒸気処理装置に設けられた処理筒の一方から前記廃棄炭素繊維強化プラスチックを処理筒内に投入し、処理筒の回転に伴って前記処理筒の他方に向かって転動搬送するとともに、転動搬送中の前記廃棄炭素繊維強化プラスチックを前記処理筒内で過熱水蒸気に曝して前記マトリックス樹脂を分解処理する分解処理工程を備えていることを特徴としている。

本発明の回収方法において、マトリックス樹脂を分解処理するとは、マトリックス樹脂が主にガス状となる低分子化合物に分解されることであるが、一部が炭化した状態で残っていても構わない。分解処理物中に残る低分子化合物あるいは炭化物は過熱水蒸気処理された分解処理物から炭素繊維を取り出す解繊工程で容易に炭素繊維から分離される。

本発明において、過熱水蒸気とは、１００℃飽和水蒸気を適当な加熱手段によってさらに加熱して沸点以上としたものを意味する。
飽和水蒸気の加熱手段としては、特に限定されないが、たとえば、オイル燃焼加熱方式、ガス燃焼加熱方式、電気加熱方式、電磁誘導加熱方式などが挙げられる。

本発明の回収方法は、マトリックス樹脂の分解処理時間を短縮できるように、少なくとも処理筒内に外部から空気が流入することを抑止する空気流入抑止手段を設けることが好ましい。
また、空気流入抑止手段は、空気の流入を完全に抑えることが最も好ましいが、廃ＣＦＲＰの投入を行う場合などにどうしても空気が一部入り込むため、完全に密閉系とすることは不可能であるので、少なくとも空気の流入量を処理筒内の過熱水蒸気の２５％以下（酸素量に換算すると約５％）に抑えることが好ましい。

空気流入抑止方法としては、特に限定されないが、処理筒内の過熱水蒸気圧を外気より正圧にする方法、廃ＣＦＲＰの投入口や排出口を開閉するシャッターを設ける方法などが挙げられ、具体的には、例えば、筒状または箱状をした廃棄炭素繊維強化プラスチックの投入口を有する過熱水蒸気処理装置の投入部の、前記投入口からずれた位置で処理筒の投入側を前記投入部内に臨ませ、処理筒の中心軸周りに回転自在に支持するとともに、前記投入口から投入された廃棄炭素繊維強化プラスチックを、前記投入部内に設けられた移動台に載せて移動台によって前記投入口から処理筒側への空気の流入をほぼ抑止しながら前記処理筒の投入側開口を臨む位置まで移動させたのち、処理筒内に押し入れる方法や、底に排出口を備える筒状または箱状をした過熱水蒸気処理装置の排出部に、前記排出部内と処理筒とが連通するように、処理筒の排出側を臨ませ、排出部に処理筒の中心軸周りに回転自在に支持するとともに、排出部内が大気圧より正圧となるように、１２０℃以上（好ましくは１２０〜１３０℃の過熱水蒸気を排出部内に供給する方法が挙げられる。

なお、上記のように移動台を用いて投入口からずれた位置の処理筒の投入側開口臨む位置まで移動させる方法において、移動台の移動方向は、上下方向、斜め上下方向、処理筒の中心軸に平行方向、処理筒の中心軸に平行方向などいずれでも構わないが、投入口を処理筒の投入側開口より下方に設け、移動台を上下方向あるいは斜め上下方向に移動させるようにすることが好ましい。すなわち、過熱水蒸気が投入口から吹き出る作業時の危険性を少なくすることができる。
また、上記のように処理筒内を正圧にする場合、その圧力は、空気の入り込みを抑止することができれば、特に限定されないが、大気圧＋（１０〜２０ｈＰａ）とすることが好ましい。すなわち、圧力が高すぎると、過熱水蒸気が外部に噴出して危険である。
さらに、排出部内を大気圧より正圧にするには、上記１２０℃以上の過熱水蒸気を排出部内に供給する以外に、他のガスを供給しても構わないが、不活性ガスを用いるとコストがかかり、可燃性ガスでは安全性に問題が生じるおそれがある。また、１２０℃未満の水蒸気では、分解処理物が水蒸気の凝縮による結露によって濡れてしまい、乾燥にエネルギーと時間がかかる問題が生じ、あまり高温の過熱水蒸気を用いると分解処理物を取り出す場合に、作業者に火傷などの危険がある上、エネルギーコストの面で問題が生じる。

本発明において、処理筒内に供給される過熱水蒸気の温度は、特に限定されないが、４５０〜６００℃が好ましい。その理由は、６００℃を超えると、処理によって炭素繊維が劣化するため、再生利用可能な炭素繊維を回収することが難しくなり、４５０℃未満では、マトリックス樹脂の分解が不十分で炭素繊維の回収が難しくなるおそれがあるためである。
また、処理する廃ＣＦＲＰの形状、大きさ、マトリックス樹脂と炭素繊維の配合割合等によっても異なるが、過熱水蒸気の温度は、５００〜６００℃が好ましく、市販の過熱水蒸気発生装置と処理時間の関係から、５００〜５１０℃が実用的で、より好ましい。
すなわち、５００℃未満では、マトリックス樹脂の分解に時間がかかり過ぎて工業的には炭素繊維の回収コストが高くなるおそれがある。

因みに、発明者の知見によれば、５００〜５１０℃でマトリックス樹脂の分解が１０分間で完了する廃ＣＦＲＰを４７０℃で処理する場合、マトリックス樹脂の分解に１．５時間、４５０℃で処理する場合、５時間を要する。
また、４５０℃の過熱水蒸気であっても、廃ＣＦＲＰのマトリックス樹脂を１０分間程度の短時間で劣化させることができる。そして、マトリックス樹脂が劣化した廃ＣＦＲＰは、簡易に微細チップ化できる。したがって、４５０℃で１０分程度の短時間処理に止めて微細チップを得、この微細チップを、例えば、コンクリートに混合して、コンクリート硬化体の補強材として用いることもできる。

なお、上記微細チップをコンクリート硬化体の補強材として用いる場合、微細チップの大きさは、できるだけスチールファイバと同様な寸法が望ましく、具体的には、差し渡し最大長さが０．５ｍｍ以下、長さ２０ｍｍ以上、アスペクト比４０以上のものが好ましい。
また、上記微細チップは、例えば、ポリアミド樹脂やＡＢＳ樹脂などの樹脂材料に混練し、これらを強化することもできる。そして、微細チップをかかる樹脂材料の補強材として用いる場合、その大きさは差し渡し最大長さが０．３ｍｍ以下、長さ３ｍｍ以上、アスペクト比１０以上のものが好ましい。

上記処理筒の形状は、特に限定されないが、廃ＣＦＲＰをうまく転動搬送できるように内断面が多角形の筒状とすることが好ましい。処理筒の角数は、処理筒の直径によって適宜決定され、特に限定されないが、八角形が好ましい。

処理筒内に投入される廃ＣＦＲＰは、投入口を介して処理筒内に投入できれば、その大きさは特に限定されない。したがって、処理筒に投入できないような大きなものに関しては、あらかじめ裁断または破砕して投入口を通過可能な大きさにしておく必要がある。

また、本発明において、処理筒の回転軸は、投入側から排出側に向かって、傾斜角が５〜１５度の下り勾配に傾斜させることが好ましい。すなわち、５°未満では、転動搬送がスムーズに行えず、１５°を超えると、内筒の投入口から排出口までの廃ＣＦＲＰの滞留時間が短くなり、処理が不十分となるおそれがある。

本発明の回収方法では、マトリックス樹脂の分解によって生じる可燃ガスをロータリーキルン外に排出し、排出された可燃ガスをアフターバーナーで燃焼させることが好ましい。
すなわち、可燃ガスによる環境汚染および火災を未然に防止することができる。

また、本発明の回収方法は、安定した処理状態を得るために、処理筒内に供給された過熱水蒸気の処理筒内での温度低下を２５℃以下に抑えることが好ましい。
温度低下を抑止する方法としては、処理筒を保温する保温手段や、処理筒を外側から加熱する加熱手段を設ける方法が挙げられる。

保温手段としては、特に限定されないが、処理筒の周囲を覆うように設けられ断熱材や外筒が挙げられる。
加熱手段としては、囲むように設けられた電熱ヒータや電磁誘導加熱装置が挙げられ、これらを上記外筒内に収容し、保温手段と過熱手段を併用するようにしても構わない。

本発明の回収方法は、環境保護および作業の安全性を考慮すると、過熱水蒸気処理装置にアフターバーナーを設け、マトリックス樹脂の分解によって処理筒内で生じる可燃ガスを、過熱水蒸気処理装置に設けた排出路を介してアフターバーナーに送り、アフターバーナーで燃焼させることが好ましい。
また、アフターバーナーで燃焼した燃焼ガスは、省エネルギーの観点から、上記外筒内に送り、処理筒の加熱に用いる、あるいは、処理筒内に投入する前の廃ＣＦＲＰの予熱に用いるなど、廃熱利用することが好ましい。

さらに、本発明の回収方法は、分解処理工程で得られた分解処理物を解繊する解繊工程を備えていてもよい。
すなわち、処理装置の排出口から排出された分解処理物は、通常、塊状になっているので、塊を手でほぐす、あるいは、カード機や解繊機にかけて一本一本に解いて再利用可能な炭素繊維として回収する。

本発明の回収方法において、マトリックス樹脂としては、特に限定されないが、ＵＰ（不飽和ポリエステル）樹脂、ＥＰ（エポキシ）樹脂、ＶＥ（ビニルエステル）樹脂等の熱硬化性樹脂、ＰＰ（ポリプロピレン）樹脂、ＰＡ（ポリアミド）樹脂、及びＰＣ（ポリカーボネート）樹脂等の熱可塑性樹脂が挙げられる。

本発明の回収方法で得られる炭素繊維は、特に限定されないが、たとえば、以下のようなものに利用できる。
（ａ）高分子系バインダーと混織された不織布
（ｂ）紙漉き技術により製造される不織布
（ｃ）ＰＡやＡＢＳ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体）樹脂など、熱可塑性エンジニアリングプラスチックスの射出成形用ペレットの強化材
（ｄ）紙漉き技術により製造される不織布を用いたＳＭＣ（シートモールディングコンパウンド）
（ｅ）解繊工程で得られる、長さ１ｍｍ以下の短繊維を用いたＢＭＣ（バルクモールディングコンパウンド）

本発明の回収方法は、以上のように、炭素繊維をマトリックス樹脂中に含む廃棄炭素繊維強化プラスチックを加熱して、この廃棄炭素繊維強化プラスチック中のマトリックス樹脂を分解処理し、処理後に残った炭素繊維を回収する炭素繊維の回収方法であって、
過熱水蒸気処理装置に設けられた処理筒の一方から前記廃棄炭素繊維強化プラスチックを処理筒内に投入し、処理筒の回転に伴って前記処理筒の他方に向かって転動搬送するとともに、転動搬送中の前記廃棄炭素繊維強化プラスチックを前記処理筒内で過熱水蒸気に曝して前記マトリックス樹脂を分解処理する分解処理工程を備えているので、劣化の少ない炭素繊維を連続的に効率よく回収することができる。

すなわち、処理筒の投入口側から排出口側まで、廃ＣＦＲＰを転動搬送しながら過熱水蒸気によって処理するようになっているので、過熱水蒸気が廃ＣＦＲＰの内部まで素早く入り込む。したがって、６００℃以下の過熱水蒸気であっても短時間でマトリックス樹脂を分解することができる。しかも、投入口から投入するだけで、排出口に送られるため、連続的に分解処理することができ、作業効率よく炭素繊維を回収することができる。
さらに、過熱水蒸気のみを用いて分解処理するため、焼却法で問題となるような匂いや、処理装置内部に滞留するタール成分も生じず、清浄な環境が維持できる。

本発明の回収方法の第１の実施の形態に用いる過熱水蒸気処理装置としての外燃式ロータリーキルンを模式的あらわした説明図である。 図１のロータリーキルンを投入部側から見た図である。

以下に、本発明を、その実施の形態をあらわす図面を参照しつつ詳しく説明する。
図１は、本発明の回収方法の第１の実施の形態に用いる過熱水蒸気処理装置としての外燃式ロータリーキルン（以下、「ロータリーキルン」とのみ記す）を模式的にあらわし、図２はその投入部側からみた概略図である。

図１に示すように、このロータリーキルンＡは、キルン本体１と、投入部２と、排出部３と、アフターバーナー４と、第１過熱水蒸気発生装置５と、第１過熱水蒸気供給配管６と、第２過熱水蒸気発生装置７と、第２過熱水蒸気供給配管８と、搬送コンベヤー９を備えている。
キルン本体１は、処理筒としての内筒１１と、外筒１２とを備えている。

内筒１１は、図２に示すように、略断面正八角形をした筒状をしていて、回転軸となる筒の中心軸１１ａが５〜１５°の傾斜角度で投入部２側から排出部３側に向かって下り勾配となっているとともに、後で詳述するように、勾配の上端部で投入部２に、勾配の下端部で排出部３にそれぞれ回転可能に支持されて、図示していない、駆動装置によって中心軸１１ａを中心に回転するようになっている。
また、内筒１１内は、第１過熱水蒸気供給配管６が中心軸１１ａにほぼ平行に設けられている。

第１過熱水蒸気供給配管６は、一端が後述される投入部２に固定され、他端が後述される排出部３を貫通してキルン本体１外に延出し、第１過熱水蒸気発生装置５に接続されている。
また、第１過熱水蒸気供給配管６は、内筒１１内で長手方向に複数の噴射孔６１を備え、この噴射孔６１から過熱水蒸気が内筒１１内に噴射されるようになっている。

外筒１２は、内筒１１を囲繞するように設けられ、架台１３に支持されている。
また、外筒１２は、内筒１１を回転自在に支持しているとともに、内部に内筒周囲を囲むようにコイル状の電熱ヒータ１４が設けられている。
すなわち、電熱ヒータ１４によって内筒１１が外筒１２側から加熱できるようになっている。

投入部２は、繋ぎ筒２１と、投入部本体２２と、リフト装置２３と、押し出し棒２４とを備えている。
繋ぎ筒２１は、キャップ状をしていて、内筒１１の傾斜上端側が中心軸１１ａを中心に回転可能に嵌り込んでいる。
また、繋ぎ筒２１は、図２に示すように、その上端に排気筒２５を備えている。

投入部本体２２は、リフト台収容部２２ａと、繋ぎ筒連結部２２ｂとを備えている。
リフト台収容部２２ａは、上下方向に長い四角筒状をしていて、下端部に投入口２２ｃを備え、上端で繋ぎ筒連結部２２ｂに連通している。
投入口２２ｃは、内筒１１に投入される廃ＣＦＲＰが投入可能な大きさに形成されている。

繋ぎ筒連結部２２ｂは、リフト台収容部２２ａに直交するように設けられるとともに、その中心軸が、内筒１１の中心軸１１ａより下方にオフセットした状態で開口端が内筒１１内に少し入り込んだ状態に設けられている。

リフト装置２３は、空気流入抑止手段および移動台としてのリフト台２３ａと、このリフト台２３ａを上下動させる油圧、空圧あるいは電動機等の駆動手段（図示せず）を備えている。
リフト台２３ａは、リフト台収容部２２ａの水平内断面と略同じ平面形状（添付の図では作図上少し隙間が形成されているように描かれている）をしていて、周壁がリフト台収容部２２ａの内壁面にほぼ接しながらリフト台収容部２２ａ内を上下動するようになっている。

すなわち、リフト台２３ａは、投入口２２ｃから投入部本体２２内に投入された廃ＣＦＲＰ１００を載せて内筒１１の投入側開口を臨む繋ぎ筒連結部２２ｂ内に入り込むまで押し上げるようになっている。また、リフト台２３ａは、投入部本体２２の水平内断面と略同じ平面形状をしているので、上記押し上げ動作のとき、投入口２２ｃ側からリフト台２３ａ上方への空気の流れ込みをほぼ抑止することができる。

押し出し棒２４は、繋ぎ筒連結部２２ｂの中心軸方向に進退するようになっていて、廃ＣＦＲＰ１００が繋ぎ筒連結部２２ｂ内に入り込むまで押し上げられると、リフト台２３ａ上の廃ＣＦＲＰ１００を内筒１１方向に押し出して内筒１１内に投入するようになっている。

排出部３は、排出部本体３１と、シャッター３２とを備えている。
排出部本体３１は、底に排出口３１ａを備えた箱状をしていて、内筒１１の傾斜下端が、筒の上端側壁面を貫通し、内部に臨み、中心軸１１ａを中心に回転可能に嵌り込んでいる。

シャッター３２は、排出口３１ａを下方から閉鎖するとともに、分解処理物が排出部本体３１内に一定レベル以上貯まると開放されて、一定レベル以下（０を含む）になると閉鎖状態に戻るように設けられている。
なお、レベルは、図示していないが、例えば、耐熱性を備えた光学センサーを排出部本体３１に設けることで検出することができる。

第１過熱水蒸気発生装置５は、公知のオイル燃焼加熱方式、ガス燃焼加熱方式、電気加熱方式、あるいは、電磁誘導加熱方式のものが使用され、ボイラー（図示せず）から蒸気配管を介して供給される飽和水蒸気をさらに加熱して４５０〜６００℃の過熱水蒸気とするようになっている。

第１過熱水蒸気供給配管６は、一端が第１過熱水蒸気発生装置５に接続され、排出部３側から内筒１１内の中心軸１１ａより上方部分を通って投入部２側に至るように配管されていて、
内筒１１の長手方向に複数個所設けられた噴射孔６１から内筒１１内に第１過熱水蒸気発生装置５から供給された過熱水蒸気を噴射するようになっている。

第２過熱水蒸気発生装置７は、公知のオイル燃焼加熱方式、ガス燃焼加熱方式、電気加熱方式、あるいは、電磁誘導加熱方式のものが使用され、ボイラー（図示せず）から蒸気配管を介して供給される飽和水蒸気をさらに加熱して１２０〜６００℃の過熱水蒸気とするようになっている。

第２過熱水蒸気供給配管８は、排出部３内への空気流入抑止手段として設けられていて、一端が第２過熱水蒸気発生装置７に接続され、他端が排出部３内に臨み、他端から排出部３内に第２過熱水蒸気発生装置７から供給された過熱水蒸気を噴射して、排出部３内を大気圧より正圧とするようになっている。

アフターバーナー４は、排気路となる排気筒２５に連結されているとともに、バーナー排気筒４１に中間に分岐管４２が設けられている。
分岐管４２は、中間に流量調整バルブ４２ａを備え、開放端が外筒１２内に臨んでいる。
すなわち、アフターバーナー４は、排気筒２５を介して入り込んだマトリックス樹脂の分解や加熱によって内筒１１内で発生したガス中の燃焼性ガスを完全燃焼させて大気中に放出できるようになっているとともに、流量調整バルブ４２ａの調整によって、燃焼ガスを外筒１２内に必要量送り、内筒１１を加熱する熱源として用いることができるようになっている。

搬送コンベヤー９は、搬送面が排出口３１ａを下方から臨み、排出口３１ａから排出された分解処理物２００を受けて、解繊機等に搬送するようになっている。

次に、上記回収装置Ａを用いた炭素繊維の回収方法の一例をその工程順に説明する。
（１）電熱ヒータ１４を用いて、内筒１１を外筒１２側から加熱して内筒１１内の温度を、第１過熱水蒸気供給配管６を介して内筒１１内に供給される過熱水蒸気温度に昇温する。
（２）内筒１１内の過熱水蒸気圧を大気圧より１０〜２０ｈＰａ（空気が入らない程度のわずかに）高い正圧となるように第１過熱水蒸気発生装置５および第１過熱水蒸気供給配管６を介して４５０〜６００℃（好ましくは５００〜５１０℃）の過熱水蒸気を内筒１１内に供給する。
（３）排出部３内の過熱水蒸気圧を大気圧より正圧となるように第２過熱水蒸気発生装置７および第２過熱水蒸気供給配管８を介して１００〜６００℃（結露を防ぐため、また、作業者の安全を確保するため、好ましくは１２０〜１３０℃）の過熱水蒸気を排出部３内に供給する。
（４）内筒１１を回転させて、廃ＣＦＲＰ１００が内筒１１で、内筒１１の投入側開口端から排出側開口端に達するまでの時間が、廃ＣＦＲＰ１００のマトリックス樹脂が内筒１１内でほぼ完全（９５％以上）に分解されるのに過熱水蒸気に曝さなければならない必要最小限の時間となるように内筒１１の回転速度を調整する。
（５）図１に実線で示すように、リフト台２３ａを最低位置に下降させた状態で投入口２２ｃから廃ＣＦＲＰ１００を投入部本体２２内に供給し、リフト台２３ａ上に載置する。
（６）図１に鎖線で示すように、リフト台２３ａ上の廃ＣＦＲＰ１００が内筒１１の投入側開口を臨む位置までくるように、リフト台２３ａを上昇させる。
（７）押し出し棒２４を内筒１１方向に押し出して、リフト台２３ａ上の廃ＣＦＲＰ１００を内筒１１内に供給する。
（８）内筒１１内でマトリックス樹脂の分解処理で生じるガス中の燃焼性ガスをアフターバーナーで燃焼させ、その燃焼ガスを分岐管４２を介して必要外筒１２内に送り、燃焼ガスの熱によって内筒１１を外部から加熱する。なお、内筒１１内の温度制御は、電熱ヒータ１４のオンオフ制御あるいは流量調整バルブ４２ａの開度を調整することによって行う。
（９）内筒１１の排出側開口端まで達した分解処理物２００を排出部本体３１内に落とし込むとともに、排出部本体３１内に分解処理物２００が落とし込まれて排出部本体３１内に一定レベル以上の分解処理物２００が貯まると、シャッター３２を開放状態とし、排出口３１ａを介してキルン本体１外に排出して搬送コンベヤー９上に受けさせる。
（１０）貯まっていた分解処理物２００が搬送コンベヤー９上に受けられると同時にシャッター３２を閉じる。
（１１）搬送コンベヤー９に受けられた分解処理物２００を解繊機（図示せず）等に搬送し、塊をほぐしてほぼ１本１本の繊維（素線）に分離された再利用可能な炭素繊維を得る。
なお、搬送コンベヤー９に受けられた分解処理物２００は、その温度が８０℃を超えている場合、８０℃以下に空冷された後、解繊機により素線化される。

この炭素繊維の回収方法は、以上のように構成されているので、以下のような効果を備えている。
（１）４５０〜６００℃の過熱水蒸気のみを用いてマトリックス樹脂を分解処理するようにしたので、短時間で炭素繊維を傷めることなく、マトリックス樹脂を分解でき、効率よく再利用可能な長繊維状態の炭素繊維を回収することができる。また、焼却法で問題となった匂い、キルン本体１内部に滞留するタール成分も生じず、清浄な環境が維持できる。
（２）廃ＣＦＲＰ１００を投入口２２ｃからつぎつぎに投入するだけで、連続的に廃ＣＦＲＰ１００のマトリックス樹脂を分解処理して炭素繊維をほとんど傷めることなく回収することができる。
（３）廃ＣＦＲＰ１００が内筒１１内を転動搬送されるので、廃ＣＦＲＰ１００のサイズが大きい場合においても、表面から内部にかけて部位の違いによる分解処理温度の差が少なくなる。したがって、均質かつ長繊維の炭素繊維を回収することができる。
（４）内筒１１内および排出部３内の過熱水蒸気圧をわずかではあるが大気圧より正圧にしたので、ロータリーキルン１内への空気の流入を防止してロータリーキルン１内をほぼ無酸素状態に保つことができるので、より短時間でマトリックス樹脂を分解処理できる。したがって、作業効率、エネルギー効率を向上させることができる。
（５）アフターバーナー４を備え、分解ガス中の燃焼性ガスを完全燃焼させて大気中に放出することができ、安全で環境汚染の問題もない。
（６）アフターバーナー４から出る燃焼ガスを内筒１１の加熱に用いるようにしたので、電熱ヒータ１４による加熱時間を短縮することができ、省エネルギー化を図ることができる。

以下に、本発明の具体的な実施例を比較例と対比させて説明する。

（実施例１）
内筒１１が、以下のような構成となった図１に示すようなロータリーキルン１を用いて以下の条件で廃ＣＦＲＰ１００を処理した。
〔内筒〕
内径３０ｃｍ、長さ２２０ｃｍ、傾斜角１５°
〔処理条件〕
廃ＣＦＲＰ１００：１ｃｍの厚さの炭素繊維入りプリプレグ（マトリックス樹脂は不飽和ポリエステル樹脂）を重ね合わせて成形した角材（カーボン繊維体積含有率＝ ６５ ％）から１０ｃｍ （幅）× ２０ｃｍ （高さ）× 長さ１０ｃｍに切り出したもの
第１過熱水蒸気供給配管６から内筒１１内に供給される過熱水蒸気温度：５００℃
内筒１１内の過熱水蒸気圧：大気圧＋（１０〜２０ｈＰａ）
内筒１１の回転速度：２５rpm
廃ＣＦＲＰの内筒１１内滞留時間：１０分
内筒１１内の空気量：１０％以下
第２過熱水蒸気配管８から排出部３内に供給される過熱水蒸気温度：１２０℃
排出部３内の過熱水蒸気圧：大気圧＋（１０〜２０ｈＰａ）
そして、得られた分解処理物２００を通常のピンローラ式解繊機（(有)竹内製作所製）を用いて解繊し、素線化した炭素繊維を回収したところ、回収できた炭素繊維は、バージン材の８０％以上の強度を有するものであった。

（実施例２）
内筒内の過熱水蒸気温度を６００℃とした以外は、上記実施例１と同様にして炭素繊維を回収した。
回収できた炭素繊維は、バージン材の８０％以上の強度を有するものであった。

（実施例３）
以下の条件とした以外は、上記実施例１と同様にして炭素繊維を回収した。
回収できた炭素繊維は、バージン材の８０％以上の強度を有するものであった。
第１過熱水蒸気供給配管６から内筒１１内に供給される過熱水蒸気温度：４５０℃
内筒１１の傾斜角度：５°
内筒１１の回転速度：１．５rpm
廃ＣＦＲＰの内筒１１内滞留時間：５時間

（実施例４）
内筒内の過熱水蒸気温度を８００℃とした以外は、上記実施例１と同様にして炭素繊維を回収した。
回収できた炭素繊維は、バージン材の２０％以下の強度しかなかった。

（参考例１）
内筒内の過熱水蒸気温度を４５０℃とした以外は、上記実施例１と同様にしてロータリーキルンで分解処理したが、排出口３１ａから排出された分解処理物２００は、マトリックス樹脂が劣化しているものの、分解が不十分であった。
そして、この分解処理物２００を、ピンローラを用いて破砕したところ、容易に断面の差し渡し最大長さが ０．２〜１ｍｍ、平均長さ２０ｍｍの、炭素繊維の周りにマトリックス樹脂の非分解物が付着した微細チップが得られた。
得られた微細チップを、コンクリートの補強材として普通ポルトランドセメント１００重量部に対し、５重量部添加して、４０（幅）×４０（高さ）×１６０（長さ）ｍｍのモルタル試験体（ＪＩＳ）を成形したところ、添加しないものに比べ、曲げ強度が５０％向上した。

（参考例２）
内筒１１内の空気量：３０％以上とした以外、実施例１と同じで、再生炭素繊維を回収した場合、その引張り強度はバージン材の４０％であった。

（参考例３）
実施例１と同様のロータリーキルンを用い、内筒１１の回転を停止した状態で、実施例１と同様の廃ＣＦＲＰを隣接させた（重ね合わせた）状態で内筒１１内に“静置”した以外は、実施例１と同様の条件で廃ＣＦＲＰを過熱水蒸気処理したところ、隣接した廃ＣＦＲＰ同士が溶着してしまう現象が観察された。
すなわち、静置方式で過熱水蒸気処理を行なうと、過熱水蒸気処理の途中で、被処理物質である廃ＣＦＲＰ同士が不規則に溶着してしまい、過熱水蒸気処理の効率低下を招くと共に、マトリックス樹脂を均一に（万遍なく）分解することが困難となるため、再生炭素繊維に未分解の樹脂が残存してしまうことがわかった。
そこで、未分解の樹脂の残存を避けるために、必要以上に長時間過熱水蒸気処理を行なわざるを得なかったが、その分再生炭素繊維の物性低下を招いた。

本発明は、上記の実施の形態に限定されない。たとえば、上記の実施の形態では、アフターバーナーの燃焼ガスを外筒内に送り、処理筒である内筒を加熱する熱源として使用するようにしていたが、ボイラーの熱源として利用してもよいし、投入口から投入される前の廃ＣＦＲＰを予熱する熱源としてもよい。
上記の実施の形態では、排出口にシャッターが設けられていたが、排出部内が過熱水蒸気によって常に大気圧より正圧されていれば、シャッターは設けなくても構わない。
上記の実施の形態では、投入部の投入口は、開放状態であったが、排出口と同様にシャッターを設け、廃ＣＦＲＰの投入時のみ投入口を開放するようにしても構わない。

Ａ ロータリーキルン（過熱水蒸気処理装置）
１ キルン本体
１１ 内筒（処理筒）
１１ａ 中心軸
１２ 外筒（保温手段）
１４ 電熱ヒータ
２ 投入部（加熱手段）
２１ 繋ぎ筒
２２ 投入部本体
２２ａ リフト台収容部
２２ｂ 繋ぎ筒連結部
２２ｃ 投入口
２３ リフト装置
２３ａ リフト台（空気流入抑止手段）
２４ 押し出し棒
２５ 排気筒（排気路）
３ 排出部
３１ 排出部本体
３１ａ 排出口
３２ シャッター
４ アフターバーナー
４１ バーナー排気筒
４２ 分岐管
４２ａ 流量調整バルブ
５ 第１過熱水蒸気発生装置
６ 第１過熱水蒸気供給配管
６１ 噴射孔
７ 第２過熱水蒸気発生装置
８ 第２過熱水蒸気供給配管（空気流入抑止手段）
９ 搬送コンベヤー
１００ 廃ＣＦＲＰ
２００ 分解処理物

Claims (18)

1. 炭素繊維をマトリックス樹脂中に含む廃棄炭素繊維強化プラスチックを加熱して、この廃棄炭素繊維強化プラスチック中のマトリックス樹脂を分解処理し、処理後に残った炭素繊維を回収する炭素繊維の回収方法であって、
   過熱水蒸気処理装置に設けられた処理筒の一方から前記廃棄炭素繊維強化プラスチックを処理筒内に投入し、処理筒の回転に伴って前記処理筒の他方に向かって転動搬送するとともに、転動搬送中の前記廃棄炭素繊維強化プラスチックを前記処理筒内で過熱水蒸気に曝して前記マトリックス樹脂を分解処理する分解処理工程を備えていることを特徴とする廃棄炭素繊維強化プラスチックからの炭素繊維の回収方法。
2. 上記処理筒内に外部からの空気の流入を抑止する空気流入抑止手段を設ける請求項１に記載の炭素繊維の回収方法。
3. 上記処理筒内の空気量が過熱水蒸気の２５容量％以下になるように、外部から上記処理筒内への空気の入り込みを抑える請求項１または請求項２に記載の炭素繊維の回収方法。
4. 少なくとも処理筒内を大気圧より正圧の過熱水蒸気雰囲気に保持する請求項１〜請求項３のいずれかに記載の炭素繊維の回収方法。
5. 筒状または箱状をした廃棄炭素繊維強化プラスチックの投入口を有する過熱水蒸気処理装置の投入部の、前記投入口からずれた位置で処理筒の投入側を前記投入部内に臨ませ、処理筒の中心軸周りに回転自在に支持するとともに、前記投入口から投入された廃棄炭素繊維強化プラスチックを、前記投入部内に設けられた移動台に載せて移動台によって前記投入口から処理筒側への空気の流入をほぼ抑止しながら前記処理筒の投入側開口を臨む位置まで移動させたのち、処理筒内に押し入れる請求項２〜請求項４のいずれかに記載の炭素繊維の回収方法。
6. 底に排出口を備える筒状または箱状をした過熱水蒸気処理装置の排出部に、前記排出部内と処理筒とが連通するように、処理筒の排出側を臨ませ、排出部に処理筒の中心軸周りに回転自在に支持するとともに、排出部内が大気圧より正圧となるように、１２０℃以上の過熱水蒸気を排出部内に供給する請求項２〜請求項５のいずれかに記載の炭素繊維の回収方法。
7. 上記処理筒内に供給される過熱水蒸気温度が５００〜６００℃である請求項１〜請求項６のいずれかに記載の炭素繊維の回収方法
8. 上記処理筒の回転軸を、投入側から排出側に向かって、傾斜角が５〜１５度の下り勾配に傾斜させる請求項１〜請求項７のいずれかに記載の炭素繊維の回収方法。
9. 上記処理筒を外側から囲繞する外筒を設け、この外筒内に設けた加熱手段で内筒を外側から加熱する請求項１〜請求項８のいずれかに記載の炭素繊維の回収方法。
10. マトリックス樹脂の分解によって処理筒内で生じる可燃ガスを、過熱水蒸気処理装置に設けた排出路を介してアフターバーナーに送り、アフターバーナーで燃焼させる請求項１〜９に記載の炭素繊維の回収方法。
11. 処理筒内に供給された過熱水蒸気の処理筒内での温度低下を２５℃以下に抑止する保温手段及び処理筒を外側から加熱する加熱手段の少なくともいずれかを設ける請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の炭素繊維の回収方法。
12. 保温手段が処理筒の周囲を覆う断熱材である請求項１１記載の炭素繊維の回収方法。
13. 加熱手段が処理筒を外側から囲むように設けられた電熱ヒータである請求項１１に記載の炭素繊維の回収方法。
14. 加熱手段が電磁誘導加熱装置である請求項１１に記載の炭素繊維の回収方法。
15. 処理筒を周囲から囲う外筒を設け、この外筒内に設けた加熱手段で処理筒を外側から加熱する請求項１１、請求項１３および請求項１４のいずれかに記載の炭素繊維の回収方法。
16. アフターバーナーの燃焼ガスで、外筒内を加熱する請求項１５に記載の炭素繊維の回収方法。
17. アフターバーナーの燃焼ガスで、処理筒内に投入する前の廃棄炭素繊維強化プラスチックを予熱する請求項１０〜請求項１６のいずれかに記載の炭素繊維の回収方法。
18. 分解処理工程で得られた処理物を解繊する解繊工程を備える請求項１〜請求項１７のいずれかに記載の炭素繊維の回収方法。

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