JP2020114904A - Carbon fiber recovery method - Google Patents

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Abstract

To provide a carbon fiber recovery method which recovers a carbon fiber that a CFRP material has without separating the CFRP material having a base material composed of various resins, and can suppress degradation in the recovered carbon fiber.SOLUTION: A carbon fiber recovery method includes: a step (step S1) of dissolving a base material of a carbon fiber-reinforced plastic material 4 using a solution 3 containing a phosphoric acid, in which a concentration of the phosphoric acid of the solution 3 is 100 mass% or more, the solution 3 contains 2 mass% or more and 50 mass% or less of a trifluoromethane sulfonic acid, and the dissolving step (step S1) is performed at a temperature of the solution 3 of 200°C or higher and 300°C or lower.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、炭素繊維回収方法に関する。 The present invention relates to a carbon fiber recovery method.

炭素繊維強化プラスチック(CFRP、Carbon Fiber Reinforced Plastic)材の母材を分解し、CFRP材から炭素繊維を回収する方法として、高温高圧の有機溶剤を用いる超臨界流体法、常圧の有機溶剤を用いる常圧溶解法、及び熱を用いる熱分解法等が知られている。 As a method for decomposing the base material of carbon fiber reinforced plastic (CFRP, Carbon Fiber Reinforced Plastic) material and recovering carbon fiber from the CFRP material, a supercritical fluid method using an organic solvent of high temperature and high pressure, and an organic solvent of normal pressure are used. An atmospheric pressure dissolution method and a thermal decomposition method using heat are known.

その他の方法として、例えば、特許文献1には、リン酸及び/又はリン酸塩を0.001質量%〜80質量%含む溶解液を用いて、100℃以下で不飽和ポリエステル樹脂未硬化物を溶解し、充填材を回収する方法が開示されている。 As another method, for example, in Patent Document 1, an unsaturated polyester resin uncured product is used at 100° C. or lower using a solution containing phosphoric acid and/or phosphate in an amount of 0.001% by mass to 80% by mass. A method of melting and recovering the filler is disclosed.

特許第4066877号公報Japanese Patent No. 4066877

発明者らは、炭素繊維回収方法に関し、以下の課題を見出した。
CFRP材の母材は、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、及びナイロン樹脂等の種々の樹脂から構成される。CFRP材を加熱することによって母材を分解する熱分解法は、種々の樹脂から構成された母材を有するCFRP材を分別することなく、CFRP材が有する炭素繊維を回収することができる。しかしながら、熱分解法によって回収された炭素繊維は、熱に起因する酸化によって劣化している虞がある。
The inventors have found the following problems regarding the carbon fiber recovery method.
The base material of the CFRP material is composed of various resins such as vinyl ester resin, epoxy resin, and nylon resin. The thermal decomposition method of decomposing the base material by heating the CFRP material can recover the carbon fibers contained in the CFRP material without separating the CFRP material having the base material composed of various resins. However, the carbon fibers recovered by the thermal decomposition method may be deteriorated due to oxidation caused by heat.

一方、特許文献1に開示されている方法をCFRP材の炭素繊維回収に適用すると、炭素繊維の劣化を抑制しつつ炭素繊維を回収することができる。しかしながら、特許文献1に開示されている方法は、母材を構成する樹脂ごとにCFRP材を分別する必要がある。 On the other hand, when the method disclosed in Patent Document 1 is applied to the carbon fiber recovery of the CFRP material, the carbon fiber can be recovered while suppressing the deterioration of the carbon fiber. However, in the method disclosed in Patent Document 1, it is necessary to separate the CFRP material for each resin forming the base material.

本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、種々の樹脂から構成された母材を有するCFRP材を分別することなくCFRP材が有する炭素繊維を回収し、かつ、回収された炭素繊維の劣化を抑制可能な炭素繊維回収方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and recovers carbon fibers contained in a CFRP material without separating a CFRP material having a base material composed of various resins, and the recovered carbon. An object of the present invention is to provide a carbon fiber recovery method capable of suppressing fiber deterioration.

上記目的を達成するための一態様は、炭素繊維回収方法であって、リン酸を含有する溶解液を用いて、炭素繊維強化プラスチック材の母材を溶解する工程を備え、前記溶解液のリン酸濃度は、100質量%以上であり、前記溶解液は、2質量%以上50質量%以下のトリフルオロメタンスルホン酸を含有し、前記溶解する工程は、前記溶解液の温度が200℃以上300℃以下で行われる。 One aspect for achieving the above object is a carbon fiber recovery method, which comprises a step of dissolving a base material of a carbon fiber reinforced plastic material using a solution containing phosphoric acid, wherein the solution contains phosphorus. The acid concentration is 100% by mass or more, the solution contains 2% by mass or more and 50% by mass or less of trifluoromethanesulfonic acid, and in the step of dissolving, the temperature of the solution is 200° C. or more and 300° C. or more. Will be done below.

本発明に係る炭素繊維回収方法は、溶解液のリン酸濃度が、110質量%以上であり、溶解液が2質量%以上50質量%以下のトリフルオロメタンスルホン酸を含有する。さらに、溶解する工程は、溶解液の温度が200℃以上300℃以下で行われる。CFRP材の母材を構成する種々の樹脂は、溶解する工程において溶解される。そのため、種々の樹脂から構成された母材を有するCFRP材を分別することなく、CFRP材が有する炭素繊維を回収することができる。また、炭素繊維が溶解する工程において劣化しにくいため、本発明に係る樹脂溶解方法は、炭素繊維の劣化を抑制しつつ炭素繊維を回収することができる。 In the carbon fiber recovery method according to the present invention, the phosphoric acid concentration of the solution is 110% by mass or more, and the solution contains 2% by mass or more and 50% by mass or less of trifluoromethanesulfonic acid. Further, the dissolving step is performed when the temperature of the solution is 200° C. or higher and 300° C. or lower. Various resins forming the base material of the CFRP material are melted in the melting step. Therefore, the carbon fibers contained in the CFRP material can be recovered without separating the CFRP material having the base material composed of various resins. Further, since the carbon fiber is less likely to deteriorate in the step of melting, the resin melting method according to the present invention can recover the carbon fiber while suppressing the deterioration of the carbon fiber.

本発明によれば、種々の樹脂から構成された母材を有するCFRP材を分別することなくCFRP材が有する炭素繊維を回収し、かつ、回収された炭素繊維の劣化を抑制可能な炭素繊維回収方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the carbon fiber which a CFRP material has can be collect|recovered without separating the CFRP material which has a base material comprised of various resins, and the carbon fiber recovery which can suppress deterioration of the recovered carbon fiber. A method can be provided.

本実施の形態に係る炭素繊維回収方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the carbon fiber recovery method which concerns on this Embodiment. 本実施の形態に係る炭素繊維回収方法を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the carbon fiber recovery method which concerns on this Embodiment. リン酸を含有する溶解液を用いてCFRP材の母材を溶解する様子を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows a mode that the base material of CFRP material is melt|dissolved using the solution containing phosphoric acid. 本実施の形態に係る炭素繊維回収方法によって回収された炭素繊維の引張強度を示すグラフである。It is a graph which shows the tensile strength of the carbon fiber collect|recovered by the carbon fiber recovery method which concerns on this Embodiment. 本実施の形態に係る炭素繊維回収方法によって回収された炭素繊維のSEM画像である。It is a SEM image of the carbon fiber collect|recovered by the carbon fiber recovery method which concerns on this Embodiment.

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。 Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments. Further, the following description and the drawings are appropriately simplified to clarify the explanation.

図1は、本実施の形態に係る炭素繊維回収方法を示すフローチャートである。本実施の形態に係る炭素繊維回収方法は、図1に示すように、少なくとも溶解する工程(ステップS1)を備え、さらに、分離する工程(ステップS2)、洗浄する工程(ステップS3)、及び乾燥する工程(ステップS4)等の各工程を備えていてもよいものである。 FIG. 1 is a flowchart showing a carbon fiber recovery method according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the carbon fiber recovery method according to the present embodiment includes at least a dissolving step (step S1), a separating step (step S2), a washing step (step S3), and a drying step. Each step such as the step of performing (step S4) and the like may be provided.

本実施の形態に係る炭素繊維回収方法では、まず、溶解する工程(ステップS1)を行う。溶解する工程(ステップS1)では、溶解液3を用いてCFRP材4の母材を溶解する。溶解する工程(ステップS1)は、溶解液3をCFRP材4の母材に接触可能な方法であればどのような方法で行われてもよい。例えば、溶解する工程(ステップS1)において、溶解液3をCFRP材4に繰り返しかけることによってCFRP材4の母材を溶解してもよい。 In the carbon fiber recovery method according to the present embodiment, first, the melting step (step S1) is performed. In the dissolving step (step S1), the base material of the CFRP material 4 is dissolved using the dissolving liquid 3. The step of dissolving (step S1) may be performed by any method as long as the solution 3 can be brought into contact with the base material of the CFRP material 4. For example, in the dissolving step (step S1), the base material of the CFRP material 4 may be dissolved by repeatedly applying the solution 3 to the CFRP material 4.

図2に示す例では、溶解する工程(ステップS1)において、溶解槽2内に溶解液3及びCFRP材4を投入し、溶解液3を用いてCFRP材4の母材を溶解する。溶解槽2内に溶解液3及びCFRP材4を投入すると、CFRP材4の母材と溶解液3とが常に接触することができるため、CFRP材の母材を溶解する効率が良い。そこで、以下、溶解する工程(ステップS1)において溶解槽2内に溶解液3及びCFRP材4を投入する場合について、主に説明を行う。 In the example shown in FIG. 2, in the dissolving step (step S1), the dissolving liquid 3 and the CFRP material 4 are charged into the dissolving tank 2, and the dissolving liquid 3 is used to dissolve the base material of the CFRP material 4. When the dissolution liquid 3 and the CFRP material 4 are put into the dissolution tank 2, the base material of the CFRP material 4 and the dissolution liquid 3 can always come into contact with each other, and therefore the efficiency of dissolving the base material of the CFRP material is good. Therefore, the case where the dissolving liquid 3 and the CFRP material 4 are put into the dissolving tank 2 in the dissolving step (step S1) will be mainly described below.

溶解槽2は、溶解液3によって腐食しない材料を用いて形成される容器である。溶解槽2は、例えば、テフロン製容器(「テフロンは登録商標」)やPFA(ポリテトラフルオロエチレン)樹脂製容器、石英ガラス製容器である。 The dissolution tank 2 is a container formed of a material that does not corrode with the dissolution liquid 3. The dissolution tank 2 is, for example, a Teflon container (“Teflon is a registered trademark”), a PFA (polytetrafluoroethylene) resin container, or a quartz glass container.

溶解液3は、リン酸濃度が100質量%以上である液体である。溶解液3は、2質量%以上50質量%以下のトリフルオロメタンスルホン酸を含有する。溶解液3は、好ましくは5質量%程度のトリフルオロメタンスルホン酸を含有する。溶解液3が含有するトリフルオロメタンスルホン酸を5質量%程度とすると、溶解液3が含有するトリフルオロメタンスルホン酸を例えば50質量%とする場合に比較して、トリフルオロメタンスルホン酸の使用量が少ないため、溶解液3の調整に要するコストを抑制することができる。溶解液3は、リン酸の脱水縮合が部分的に起こっている。したがって、溶解液3は、ピロリン酸(H)等のポリリン酸を含有する。溶解液3が含有するリン酸及びポリリン酸を全てリン酸に換算した質量を、リン酸換算質量とする。溶解液3のリン酸濃度は、溶解液3のリン酸換算質量を溶解液3の実際の質量で除して算出される。また、溶解液3は、リン酸、ポリリン酸、及びトリフルオロメタンスルホン酸に加えて、水を含有していてもよい。 The solution 3 is a liquid having a phosphoric acid concentration of 100% by mass or more. The solution 3 contains 2% by mass or more and 50% by mass or less of trifluoromethanesulfonic acid. The solution 3 preferably contains about 5% by mass of trifluoromethanesulfonic acid. When the amount of trifluoromethanesulfonic acid contained in the solution 3 is about 5% by mass, the amount of trifluoromethanesulfonic acid used is smaller than when the amount of trifluoromethanesulfonic acid contained in the solution 3 is 50% by mass. Therefore, the cost required for adjusting the solution 3 can be suppressed. In the solution 3, phosphoric acid is partially dehydrated and condensed. Therefore, the solution 3 contains polyphosphoric acid such as pyrophosphoric acid (H 4 P 2 O 7 ). The mass obtained by converting all the phosphoric acid and polyphosphoric acid contained in the solution 3 into phosphoric acid is defined as the phosphoric acid equivalent mass. The phosphoric acid concentration of the solution 3 is calculated by dividing the phosphoric acid equivalent mass of the solution 3 by the actual mass of the solution 3. Further, the solution 3 may contain water in addition to phosphoric acid, polyphosphoric acid, and trifluoromethanesulfonic acid.

溶解液3は、溶解する工程(ステップS1)を行う前に、溶解液を調整する工程において調整される。溶解液を調整する工程は、例えば、所定量のトリフルオロメタンスルホン酸を添加したポリリン酸溶液を所定濃度に希釈することによって、溶解液3を調整する。溶解液3は、水やリン酸溶液に五酸化二リン(P10)を溶解し、トリフルオロメタンスルホン酸を添加することによって調整されてもよい。溶解液3は、トリフルオロメタンスルホン酸が添加された85質量%リン酸溶液を加熱脱水することによって調整されることが好ましい。また、溶解液3は、85質量%リン酸溶液を加熱脱水した後にトリフルオロメタンスルホン酸を添加して調整されることも好ましい。 The solution 3 is adjusted in the step of adjusting the solution before the step of dissolving (step S1). In the step of adjusting the dissolution liquid, for example, the dissolution liquid 3 is adjusted by diluting a polyphosphoric acid solution to which a predetermined amount of trifluoromethanesulfonic acid is added to a predetermined concentration. The solution 3 may be prepared by dissolving diphosphorus pentoxide (P 4 O 10 ) in water or a phosphoric acid solution and adding trifluoromethanesulfonic acid. The solution 3 is preferably prepared by heating and dehydrating an 85 mass% phosphoric acid solution to which trifluoromethanesulfonic acid is added. It is also preferable that the solution 3 is prepared by heating and dehydrating an 85 mass% phosphoric acid solution and then adding trifluoromethanesulfonic acid.

85質量%リン酸溶液は、ポリリン酸溶液に比較して、粘度が低い。したがって、溶解液を調整する工程において、85質量%リン酸溶液を加熱脱水して溶解液3を調整すると、ハンドリングが容易である。また、85質量%リン酸溶液は、五酸化二リンに比較して、水との反応性が低い。したがって、溶解液を調整する工程において、85質量%リン酸溶液を加熱脱水して溶解液3を調整すると、調整作業を安全に行うことができる。 The 85 mass% phosphoric acid solution has a lower viscosity than the polyphosphoric acid solution. Therefore, in the step of adjusting the solution, if the 85 mass% phosphoric acid solution is heated and dehydrated to adjust the solution 3, the handling is easy. Further, the 85 mass% phosphoric acid solution has a lower reactivity with water as compared with diphosphorus pentoxide. Therefore, in the step of adjusting the solution, if the 85% by mass phosphoric acid solution is heated and dehydrated to adjust the solution 3, the adjustment work can be performed safely.

CFRP(炭素繊維強化プラスチック)材4は、母材中に炭素繊維5が配置されている。CFRP材4の母材は、種々の樹脂から構成される。CFRP材4の母材を構成する樹脂は、通常ポリマーの形態であり、具体例として、例えば、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、及びナイロン樹脂が挙げられる。CFRP材4の母材を構成する樹脂は、1種単独、又は2種以上の組み合わせである。CFRP材4の形状は、特に限定されない。CFRP材4は、図2に示すように平板状であってもよいし、筒状等であってもよい。 A CFRP (carbon fiber reinforced plastic) material 4 has carbon fibers 5 arranged in a base material. The base material of the CFRP material 4 is made of various resins. The resin forming the base material of the CFRP material 4 is usually in the form of a polymer, and specific examples thereof include a vinyl ester resin, an epoxy resin, and a nylon resin. The resin constituting the base material of the CFRP material 4 is one kind alone or a combination of two or more kinds. The shape of the CFRP material 4 is not particularly limited. The CFRP material 4 may have a flat plate shape as shown in FIG. 2 or may have a cylindrical shape or the like.

溶解する工程(ステップS1)は、溶解液3の温度が、200℃以上300℃以下で行われ、好ましくは200℃以上250℃以下で行われる。溶解液3の温度を250℃以下とすると、溶解液3の温度が250℃以上の場合に比較して、溶解液3の加熱に要する時間及びエネルギーを抑制することができる。CFRP材4の母材は、200℃以上の溶解液3に接触すると、溶解する。母材が溶解すると、CFRP材が有する炭素繊維5が露出する。炭素繊維5は、溶解液3を含んで見かけの体積が膨張する。 The step of dissolving (step S1) is performed at a temperature of the solution 3 of 200°C or higher and 300°C or lower, preferably 200°C or higher and 250°C or lower. When the temperature of the solution 3 is 250° C. or lower, the time and energy required to heat the solution 3 can be suppressed as compared with the case where the temperature of the solution 3 is 250° C. or higher. The base material of the CFRP material 4 melts when it comes into contact with the solution 3 at 200° C. or higher. When the base material melts, the carbon fibers 5 of the CFRP material are exposed. The carbon fiber 5 contains the solution 3 and expands in apparent volume.

溶解する工程(ステップS1)において溶解槽2に投入される、溶解液3とCFRP材4との体積比は、CFRP材4が溶解液3に接触可能な体積比であれば、特に限定されない。例えば図2に示すようにCFRP材4全体を溶解液3に浸漬する場合、露出した炭素繊維5全体が溶解液3に浸漬していることが好ましい。CFRP材4全体を溶解液3に浸漬する場合、溶解液3の体積をCFRP材4の体積の15倍以上とすることができる。 The volume ratio of the dissolution liquid 3 and the CFRP material 4 charged in the dissolution tank 2 in the dissolution step (step S1) is not particularly limited as long as the volume ratio of the CFRP material 4 can contact the dissolution liquid 3. For example, when the entire CFRP material 4 is dipped in the solution 3 as shown in FIG. 2, it is preferable that the entire exposed carbon fiber 5 be dipped in the solution 3. When the entire CFRP material 4 is immersed in the solution 3, the volume of the solution 3 can be 15 times or more the volume of the CFRP material 4.

溶解槽2内において溶解液3を対流させると、CFRP材4の母材を溶解に要する時間を短くすることができる。溶解槽2内において溶解液3を対流させる場合、露出した炭素繊維5に対して十分に対流することができる体積の溶解液3が投入されていることが好ましい。溶解槽2内において溶解液3を対流させる場合、溶解液3とCFRP材4との体積比を、25:1〜100:1程度とすることができる。 By convection the dissolution liquid 3 in the dissolution tank 2, the time required to dissolve the base material of the CFRP material 4 can be shortened. When the solution 3 is convected in the solution tank 2, it is preferable that the volume of the solution 3 is sufficient to allow convection to the exposed carbon fibers 5. When the dissolution liquid 3 is convected in the dissolution tank 2, the volume ratio of the dissolution liquid 3 and the CFRP material 4 can be about 25:1 to 100:1.

溶解する工程(ステップS1)において溶解槽2内に溶解液3及びCFRP材4を投入する場合、露出した炭素繊維5は、図2に示すように、溶解液3に浸漬している。そこで、溶解する工程(ステップS1)においてCFRP材4の母材を溶解した後に、分離する工程(ステップS2)を行う。 When the dissolving liquid 3 and the CFRP material 4 are put into the dissolving tank 2 in the dissolving step (step S1), the exposed carbon fibers 5 are immersed in the dissolving liquid 3 as shown in FIG. Therefore, after the base material of the CFRP material 4 is melted in the melting step (step S1), the step of separating (step S2) is performed.

分離する工程(ステップS2)では、図示しない分離機構を用いて炭素繊維5を溶解液3から分離する。分離機構は、例えば、炭素繊維5をすくうことが可能な大きさの目を有するメッシュ部を備える。分離機構が備えるメッシュ部は、炭素繊維5を通さずに溶解液3を通すことができる。 In the separation step (step S2), the carbon fiber 5 is separated from the solution 3 by using a separation mechanism (not shown). The separation mechanism includes, for example, a mesh portion having eyes having a size capable of scooping the carbon fibers 5. The mesh portion provided in the separation mechanism can pass the solution 3 without passing the carbon fibers 5.

分離する工程(ステップS2)では、溶解する工程(ステップS1)において母材が溶解されたCFRP材4及び溶解液3を分離機構に通し、図2に示すように、溶解液3と炭素繊維5とを分離する。溶解液3は、溶解する工程(ステップS1)を行う際のように高温であると、室温時に比較して粘度が低下する。したがって、分離する工程(ステップS2)は、溶解液3の温度が高い状態で行うことが好ましい。分離する工程(ステップS2)は、例えば、溶解する工程(ステップS1)を行った直後に行われる。 In the step of separating (step S2), the CFRP material 4 and the solution 3 in which the base material has been dissolved in the step of dissolving (step S1) are passed through a separating mechanism, and as shown in FIG. And separate. When the temperature of the solution 3 is high as in the step of dissolving (step S1), the viscosity of the solution 3 is lower than that at room temperature. Therefore, the step of separating (step S2) is preferably performed in a state where the temperature of the solution 3 is high. The step of separating (step S2) is performed, for example, immediately after the step of dissolving (step S1).

なお、溶解する工程(ステップS1)において溶解液3をCFRP材4に繰り返しかける場合、露出した炭素繊維5は、溶解液3に浸漬していない。したがって、溶解する工程(ステップS1)において溶解液3をCFRP材4に繰り返しかける場合、分離する工程(ステップS2)を省略することができる。 When the dissolving liquid 3 is repeatedly applied to the CFRP material 4 in the dissolving step (step S1), the exposed carbon fiber 5 is not immersed in the dissolving liquid 3. Therefore, when the dissolving liquid 3 is repeatedly applied to the CFRP material 4 in the dissolving step (step S1), the separating step (step S2) can be omitted.

分離する工程(ステップS2)において溶解液3と炭素繊維5とを分離した後に、洗浄する工程(ステップS3)を行う。洗浄する工程(ステップS3)では、図示しない洗浄液を用いて炭素繊維5を洗浄する。洗浄液は、例えば、水であり、当該水は、苛性ソーダ等のアルカリを含んでいてもよい。 After the solution 3 and the carbon fiber 5 are separated in the step of separating (step S2), the step of cleaning (step S3) is performed. In the cleaning step (step S3), the carbon fiber 5 is cleaned using a cleaning liquid (not shown). The cleaning liquid is, for example, water, and the water may contain an alkali such as caustic soda.

洗浄する工程(ステップS3)において炭素繊維5を洗浄した後に、乾燥する工程(ステップS4)を行う。乾燥する工程(ステップS4)では、洗浄された炭素繊維5を乾燥する。洗浄された炭素繊維5を乾燥する方法は、特に限定されない。洗浄された炭素繊維5は、例えば、オーブンを用いて乾燥される。また、洗浄された炭素繊維5は、自然乾燥されてもよい。 After the carbon fibers 5 are washed in the washing step (step S3), a drying step (step S4) is performed. In the step of drying (step S4), the washed carbon fiber 5 is dried. The method for drying the washed carbon fiber 5 is not particularly limited. The washed carbon fiber 5 is dried using, for example, an oven. Further, the washed carbon fiber 5 may be naturally dried.

このような構成によって、種々の樹脂から構成された母材を有するCFRP材4を分別することなく、CFRP材4が有する炭素繊維5を回収することができる。 With such a configuration, the carbon fibers 5 included in the CFRP material 4 can be recovered without separating the CFRP material 4 including the base material made of various resins.

炭素繊維5は、耐酸性に優れているため、溶解液3に接触しても、酸による劣化が起こりにくい。また、本実施の形態に係る炭素繊維回収方法は、熱分解法によってCFRP材4の母材を分解する場合に比較して、炭素繊維5に加わる熱量を抑制することができる。したがって、本実施の形態に係る炭素繊維回収方法は、熱分解法に比較して、熱による炭素繊維5の劣化を抑制することができる。 Since the carbon fibers 5 have excellent acid resistance, even if they come into contact with the solution 3, they are unlikely to deteriorate due to acid. Further, the carbon fiber recovery method according to the present embodiment can suppress the amount of heat applied to the carbon fibers 5 as compared with the case where the base material of the CFRP material 4 is decomposed by the thermal decomposition method. Therefore, the carbon fiber recovery method according to the present embodiment can suppress deterioration of the carbon fibers 5 due to heat, as compared with the thermal decomposition method.

本実施の形態に係る炭素繊維回収方法は、トリフルオロメタンスルホン酸を含有しない溶解液を用いた炭素繊維回収方法に比較して、低いリン酸濃度で炭素繊維を回収することができる。したがって、溶解液3を調整する工程において加熱脱水等に要する時間を、高いリン酸濃度の溶解液を調整する場合に比較して、短縮することができる。そのため、炭素繊維の回収に要する時間を短縮することができる。 The carbon fiber recovery method according to the present embodiment can recover carbon fibers at a lower phosphoric acid concentration than the carbon fiber recovery method using a solution that does not contain trifluoromethanesulfonic acid. Therefore, the time required for heat dehydration and the like in the step of adjusting the solution 3 can be shortened as compared with the case of adjusting the solution having a high phosphoric acid concentration. Therefore, the time required to collect the carbon fibers can be shortened.

また、分離する工程(ステップS2)において分離された溶解液3には、溶解する工程(ステップS1)において溶解されたCFRP材4の母材の分解物6が溶解している。詳細は後述するが、CFRP材4の母材の分解物6は、水に不溶又は難溶であることがある。そのため、分解する工程(ステップS2)において分離された溶解液3に水を加えると、図2に示すように、CFRP材4の母材の分解物6が析出する場合がある。 Further, the decomposed product 6 of the base material of the CFRP material 4 dissolved in the dissolving step (step S1) is dissolved in the dissolving liquid 3 separated in the separating step (step S2). Although the details will be described later, the decomposed product 6 of the base material of the CFRP material 4 may be insoluble or slightly soluble in water. Therefore, when water is added to the solution 3 separated in the step of decomposing (step S2), the decomposed product 6 of the base material of the CFRP material 4 may be precipitated as shown in FIG.

析出した分解物6は、例えばメッシュ部を備える分離機構を用いて溶解液3から分離される。分離する工程(ステップS2)後の溶解液3は、加熱脱水されて、再びCFRP材4の溶解に使用されてもよい。 The deposited decomposition product 6 is separated from the solution 3 by using, for example, a separation mechanism including a mesh portion. The solution 3 after the step of separating (step S2) may be heated and dehydrated and used again for dissolving the CFRP material 4.

次に、図3を参照して、溶解する工程(ステップS1)におけるCFRP材4の母材の溶解について詳細に説明する。図3は、リン酸を含有する溶解液を用いてCFRP材の母材を溶解する様子を示す模式図である。 Next, the melting of the base material of the CFRP material 4 in the melting step (step S1) will be described in detail with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic diagram showing a state in which a base material of a CFRP material is dissolved using a solution containing phosphoric acid.

CFRP材4の母材は、ビニルエステル樹脂、ナイロン樹脂、及びエポキシ樹脂等の樹脂から構成されるポリマーである。溶解液3は、ピロリン酸等のポリリン酸を含有する。ポリリン酸は、例えば、図3に示すように、脱水反応によって、CFRP材4の母材中の酸素原子を奪い、CFRP材4の母材を溶解する。 The base material of the CFRP material 4 is a polymer composed of resins such as vinyl ester resin, nylon resin, and epoxy resin. The solution 3 contains polyphosphoric acid such as pyrophosphoric acid. For example, as shown in FIG. 3, the polyphosphoric acid deprives oxygen atoms in the base material of the CFRP material 4 by a dehydration reaction and dissolves the base material of the CFRP material 4.

エポキシ樹脂及びビニルエステル樹脂は、エステル結合を有する。エステル結合を有する樹脂は、溶解する工程(ステップS1)において、上記の脱水反応に加えてエステル交換反応によって溶解する。エポキシ樹脂やビニルエステル樹脂が溶解液3と接触すると、エステル交換反応によって、カルボン酸やリン酸エステルが生成すると考えられる。 Epoxy resin and vinyl ester resin have an ester bond. In the step of dissolving (step S1), the resin having an ester bond is dissolved by the transesterification reaction in addition to the above dehydration reaction. When an epoxy resin or a vinyl ester resin comes into contact with the solution 3, it is considered that a carboxylic acid or a phosphoric acid ester is produced by a transesterification reaction.

エステル交換反応において生成したカルボン酸やリン酸エステルは、疎水基が大きい場合、水に難溶であることがある。したがって、分離する工程(ステップS2)を行った後に溶解液3に水を加えると、疎水基が大きなカルボン酸やリン酸エステルが分解物6として析出することがある。 The carboxylic acid or phosphoric acid ester produced in the transesterification reaction may be sparingly soluble in water when the hydrophobic group is large. Therefore, if water is added to the solution 3 after the step of separating (step S2), a carboxylic acid or phosphoric acid ester having a large hydrophobic group may be deposited as the decomposed product 6.

トリフルオロメタンスルホン酸は、上記の反応において触媒として働く。したがって、トリフルオロメタンスルホン酸を含有する溶解液3は、トリフルオロメタンスルホン酸を含有しない溶解液に比較して、低いリン酸濃度であっても、ビニルエステル樹脂、ナイロン樹脂、及びエポキシ樹脂等の樹脂を溶解することができる。 Trifluoromethanesulfonic acid acts as a catalyst in the above reaction. Therefore, the solution 3 containing trifluoromethanesulfonic acid has a lower phosphoric acid concentration as compared with the solution not containing trifluoromethanesulfonic acid, and thus resin such as vinyl ester resin, nylon resin, and epoxy resin. Can be dissolved.

以下、本発明について実施例を示して具体的に説明する。これらの記載により本発明を制限するものではない。 Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples. These descriptions do not limit the present invention.

[実施例1]
<溶解液の作製>
85質量%リン酸溶液及びトリフルオロメタンスルホン酸を、石英ガラスビーカーに入れて混合した。石英ガラスビーカーに入った混合溶液を目標液面高さになるまで加熱脱水し、リン酸濃度が100質量%であり、かつ、トリフルオロメタンスルホン酸を5質量%含有する、溶解液3を作製した。混合溶液の加熱脱水は、電気炉において300℃で行った。混合溶液を加熱脱水する際には、混合溶液が突沸しない程度に徐々に混合溶液の温度を上昇させた。
[Example 1]
<Preparation of solution>
The 85 mass% phosphoric acid solution and trifluoromethanesulfonic acid were placed in a quartz glass beaker and mixed. The mixed solution contained in the quartz glass beaker was heated and dehydrated to reach the target liquid surface height to prepare a solution 3 having a phosphoric acid concentration of 100% by mass and containing 5% by mass of trifluoromethanesulfonic acid. .. The heated dehydration of the mixed solution was performed at 300° C. in an electric furnace. When the mixed solution was heated and dehydrated, the temperature of the mixed solution was gradually raised so that the mixed solution did not bump.

(溶解実験)
作製した溶解液3を常温まで冷却した後に溶解実験を行った。溶解実験では、常温まで冷却された溶解液3が入った石英ガラスビーカーにテストピースを投入した。実施例1において使用したテストピースは、母材がビニルエステル樹脂、ナイロン樹脂、又はエポキシ樹脂であるCFRP材4であった。実施例1において使用したテストピースの大きさは、長さが約2cm、幅が約1cmであった。次に、室温のオイルバスに溶解液3及びテストピースが投入された石英ガラスビーカーを入れ、オイルバスを220℃まで加熱した。
(Dissolution experiment)
A dissolution experiment was conducted after cooling the prepared dissolution liquid 3 to room temperature. In the melting experiment, the test piece was placed in a quartz glass beaker containing the solution 3 cooled to room temperature. The test piece used in Example 1 was the CFRP material 4 whose base material was a vinyl ester resin, a nylon resin, or an epoxy resin. The test pieces used in Example 1 had a length of about 2 cm and a width of about 1 cm. Next, a quartz glass beaker containing the solution 3 and the test piece was placed in an oil bath at room temperature, and the oil bath was heated to 220°C.

溶解液3の温度が220℃になった時刻を基準時刻としてテストピースの溶解に要する時間を計測した。炭素繊維がほぐれた状態になるまでCFRP材4の母材が溶解するのに要した時間を、溶解時間とした。基準時刻から数時間ごとにテストピースの溶解状態を観察した。 The time required for melting the test piece was measured with the time when the temperature of the solution 3 reached 220° C. as a reference time. The time required for the base material of the CFRP material 4 to dissolve until the carbon fibers became loose was taken as the dissolution time. The dissolved state of the test piece was observed every few hours from the reference time.

[実施例2]
実施例2では、溶解液3が含有するトリフルオロメタンスルホン酸を50質量%とし、それ以外は実施例1と同様にして溶解実験を行った。
[Example 2]
In Example 2, the dissolution experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the trifluoromethanesulfonic acid contained in the solution 3 was 50% by mass.

[比較例1]
比較例1では、溶解液3のリン酸濃度を85質量%とし、溶解液3が含有するトリフルオロメタンスルホン酸を0質量%とし、溶解温度を150℃とし、それ以外は実施例1と同様にして溶解実験を行った。
[Comparative Example 1]
In Comparative Example 1, the phosphoric acid concentration of the solution 3 was 85% by mass, the trifluoromethanesulfonic acid contained in the solution 3 was 0% by mass, the dissolution temperature was 150° C., and otherwise the same as in Example 1. A dissolution experiment was performed.

[比較例2]
比較例2では、溶解液3のリン酸濃度を85質量%とし、溶解液3が含有するトリフルオロメタンスルホン酸を0質量%とし、溶解温度を200℃とし、それ以外は実施例1と同様にして溶解実験を行った。
[Comparative example 2]
In Comparative Example 2, the phosphoric acid concentration of the solution 3 was 85% by mass, the trifluoromethanesulfonic acid contained in the solution 3 was 0% by mass, the dissolution temperature was 200° C., and otherwise the same as in Example 1. A dissolution experiment was performed.

[比較例3]
比較例3では、溶解液3が含有するトリフルオロメタンスルホン酸を0質量%とし、それ以外は実施例1と同様にして溶解実験を行った。
[Comparative Example 3]
In Comparative Example 3, the dissolution experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the trifluoromethanesulfonic acid contained in the solution 3 was 0% by mass.

[比較例4]
比較例4では、溶解液のリン酸濃度を115質量%とし、溶解液3が含有するトリフルオロメタンスルホン酸を0質量%とし、溶解温度を110℃とし、それ以外は実施例1と同様にして溶解実験を行った。
[Comparative Example 4]
In Comparative Example 4, the phosphoric acid concentration of the solution was 115% by mass, the trifluoromethanesulfonic acid contained in the solution 3 was 0% by mass, the dissolution temperature was 110° C., and otherwise the same as in Example 1. A dissolution experiment was conducted.

[比較例5]
比較例5では、溶解液のリン酸濃度を115質量%とし、溶解液3が含有するトリフルオロメタンスルホン酸を0質量%とし、それ以外は実施例1と同様にして溶解実験を行った。
[Comparative Example 5]
In Comparative Example 5, the concentration of phosphoric acid in the solution was set to 115% by mass, the content of trifluoromethanesulfonic acid contained in the solution 3 was set to 0% by mass, and other than that, the dissolution experiment was performed in the same manner as in Example 1.

[比較例6]
比較例6では、溶解液のリン酸濃度を85質量%とし、溶解温度を150℃とし、それ以外は実施例1と同様にして溶解実験を行った。
[Comparative Example 6]
In Comparative Example 6, the dissolution experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the phosphoric acid concentration of the solution was 85 mass% and the dissolution temperature was 150°C.

[比較例7]
比較例7では、溶解液のリン酸濃度を85質量%とし、溶解温度を200℃とし、それ以外は実施例1と同様にして溶解実験を行った。
[Comparative Example 7]
In Comparative Example 7, the dissolution experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the phosphoric acid concentration of the solution was 85 mass% and the dissolution temperature was 200°C.

[比較例8]
比較例8では、溶解温度を190℃とし、それ以外は実施例1と同様にして溶解実験を行った。
[Comparative Example 8]
In Comparative Example 8, the melting temperature was set to 190° C., and the melting experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that.

実施例1〜2及び比較例1〜8の溶解実験結果を表1に示す。表1において、丸印(○)は、溶解時間が5時間以下であることを示す。三角印(△)は、溶解時間が5時間よりも長いことを示す。バツ印(×)は、テストピースが不溶であったことを示す。
Table 1 shows the results of the dissolution experiments of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-8. In Table 1, a circle (◯) indicates that the dissolution time is 5 hours or less. A triangle mark (Δ) indicates that the dissolution time is longer than 5 hours. The cross mark (x) indicates that the test piece was insoluble.

実施例1に示すように、溶解液3のリン酸濃度を100質量%とし、溶解液3が含有するトリフルオロメタンスルホン酸を5質量%とし、溶解温度を220℃とした場合、ビニルエステル樹脂及びエポキシ樹脂は、それぞれ5時間以内に溶解した。実施例2に示すように、溶解液3のリン酸濃度を100質量%とし、溶解液3が含有するトリフルオロメタンスルホン酸を50質量%とし、溶解温度を220℃とした場合、ビニルエステル樹脂及びエポキシ樹脂は、それぞれ5時間以内に溶解した。 As shown in Example 1, when the phosphoric acid concentration of the solution 3 is 100% by mass, the trifluoromethanesulfonic acid contained in the solution 3 is 5% by mass, and the dissolution temperature is 220° C., vinyl ester resin and The epoxy resins each dissolved within 5 hours. As shown in Example 2, when the phosphoric acid concentration of the solution 3 is 100% by mass, the trifluoromethanesulfonic acid contained in the solution 3 is 50% by mass, and the dissolution temperature is 220° C., the vinyl ester resin and The epoxy resins each dissolved within 5 hours.

また、比較例3に示すように、ナイロン樹脂は、実施例1又は実施例2の溶解条件において溶解液3がトリフルオロメタンスルホン酸を含有しない場合であっても、5時間以内に溶解した。したがって、実施例1及び実施例2の溶解条件において、ナイロン樹脂は5時間以内に溶解すると考えられる。このことから、本実施の形態に係る炭素繊維の回収方法は、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、又はナイロン樹脂から構成された母材を有するCFRP材4を分別することなく炭素繊維5を回収可能であることが確認された。 Further, as shown in Comparative Example 3, the nylon resin dissolved within 5 hours even when the solution 3 did not contain trifluoromethanesulfonic acid under the dissolution conditions of Example 1 or Example 2. Therefore, under the dissolution conditions of Example 1 and Example 2, the nylon resin is considered to dissolve within 5 hours. From this, the carbon fiber recovery method according to the present embodiment can recover the carbon fibers 5 without separating the CFRP material 4 having the base material composed of a vinyl ester resin, an epoxy resin, or a nylon resin. It was confirmed that there is.

比較例1〜5の溶解条件では、溶解液3がトリフルオロメタンスルホン酸を含有していない。比較例1〜4に示すように、溶解液3がトリフルオロメタンスルホン酸を含有しない場合、溶解液3のリン酸濃度が100質量%以下、又は、溶解温度が200℃以下、であると、ビニルエステル樹脂が不溶であった。また、比較例5に示すように、溶解液3がトリフルオロメタンスルホン酸を含有しない場合、溶解液3のリン酸濃度を115質量%、かつ、溶解温度を220℃、とすると、ビニルエステル樹脂が5時間以内に溶解した。 Under the dissolution conditions of Comparative Examples 1 to 5, dissolution liquid 3 does not contain trifluoromethanesulfonic acid. As shown in Comparative Examples 1 to 4, when the solution 3 does not contain trifluoromethanesulfonic acid, the phosphoric acid concentration of the solution 3 is 100% by mass or less, or the solution temperature is 200° C. or less, vinyl. The ester resin was insoluble. Further, as shown in Comparative Example 5, when the solution 3 does not contain trifluoromethanesulfonic acid, the vinyl ester resin has a phosphoric acid concentration of 115% by mass and a solution temperature of 220° C. Dissolved within 5 hours.

このことから、本実施の形態に係る炭素繊維回収方法は、トリフルオロメタンスルホン酸を含有しない溶解液を使用する方法に比較して、溶解液3のリン酸濃度を低くしても、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、又はナイロン樹脂から構成された母材を有するCFRP材4を分別することなく炭素繊維5を回収可能であることが確認された。 From this fact, the carbon fiber recovery method according to the present embodiment is more effective than the method using a solution containing no trifluoromethanesulfonic acid, even if the phosphoric acid concentration of the solution 3 is lowered, It was confirmed that the carbon fibers 5 can be collected without separating the CFRP material 4 having the base material composed of epoxy resin or nylon resin.

比較例6〜8の溶解条件では、溶解液3がトリフルオロメタンスルホン酸を5質量%含有しているが、溶解液3のリン酸濃度が100質量%以下、又は、溶解温度が200℃以下である。比較例6〜8に示すように、溶解液3のリン酸濃度が100質量%以下、又は、溶解温度が200℃以下である場合、溶解液3がトリフルオロメタンスルホン酸を5質量%含有していても、ビニルエステル樹脂の分解に5時間以上要する。 Under the dissolution conditions of Comparative Examples 6 to 8, the solution 3 contains 5% by mass of trifluoromethanesulfonic acid, but the phosphoric acid concentration of the solution 3 is 100% by mass or less, or the dissolution temperature is 200° C. or less. is there. As shown in Comparative Examples 6 to 8, when the phosphoric acid concentration of the solution 3 is 100% by mass or less, or when the solution temperature is 200° C. or less, the solution 3 contains 5% by mass of trifluoromethanesulfonic acid. However, it takes 5 hours or more to decompose the vinyl ester resin.

実施例1〜2及び比較例1〜8の溶解実験結果から、溶解液3の温度が200℃以上、かつ、溶解液3のリン酸濃度が10質量%以上、かつ、溶解液3が2質量%以上50質量%以下のトリフルオロメタンスルホン酸を含有している場合、種々の樹脂から構成されたCFRP材4の母材を分別することなく溶解可能であることが確認された。 From the dissolution experiment results of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 to 8, the temperature of the solution 3 was 200°C or higher, the phosphoric acid concentration of the solution 3 was 10% by mass or more, and the solution 3 was 2% by mass. It was confirmed that when the content of the trifluoromethanesulfonic acid is 50% by mass or more and 50% by mass or less, the base material of the CFRP material 4 composed of various resins can be dissolved without separating.

(引張強度測定)
次に、実施例1において回収された炭素繊維5の引張強度を測定した。測定結果を図4に示す。なお、参考例1は、CFRP材4を形成する前の炭素繊維5である。図4に示すように、実施例1において回収された炭素繊維5の引張強度は、CFRP材4を形成する前の炭素繊維5と同程度であった。このことから、本実施の形態に係る炭素繊維回収方法は、炭素繊維5の劣化を抑制しつつ炭素繊維5を回収可能であることが確認された。
(Tensile strength measurement)
Next, the tensile strength of the carbon fiber 5 recovered in Example 1 was measured. The measurement result is shown in FIG. In addition, the reference example 1 is the carbon fiber 5 before forming the CFRP material 4. As shown in FIG. 4, the tensile strength of the carbon fibers 5 recovered in Example 1 was about the same as that of the carbon fibers 5 before forming the CFRP material 4. From this, it was confirmed that the carbon fiber recovery method according to the present embodiment can recover the carbon fibers 5 while suppressing the deterioration of the carbon fibers 5.

(SEM観察)
次に、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope、SEM)を用いて実施例1において回収された炭素繊維5を観察した。観察結果を図5に示す。図5に示すように、実施例1において回収された炭素繊維5には、樹脂の残渣がほとんど観察されなかった。このことから、本実施の形態に係る炭素繊維回収方法は、樹脂の残渣を抑制しつつ炭素繊維5を回収することができることが確認された。
(SEM observation)
Next, the carbon fibers 5 collected in Example 1 were observed using a scanning electron microscope (Scanning Electron Microscope, SEM). The observation result is shown in FIG. As shown in FIG. 5, almost no resin residue was observed on the carbon fibers 5 collected in Example 1. From this, it was confirmed that the carbon fiber recovery method according to the present embodiment can recover the carbon fibers 5 while suppressing resin residues.

以上で説明した本実施の形態に係る発明により、種々の樹脂から構成された母材を有するCFRP材を分別することなくCFRP材が有する炭素繊維を回収し、かつ、回収された炭素繊維の劣化を抑制可能な炭素繊維回収方法を提供することができる。 By the invention according to the present embodiment described above, the carbon fiber contained in the CFRP material is recovered without separating the CFRP material having the base material composed of various resins, and the recovered carbon fiber is deteriorated. It is possible to provide a carbon fiber recovery method capable of suppressing the above.

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。 The present invention is not limited to the above-mentioned embodiment, and can be modified as appropriate without departing from the spirit of the present invention.

2 溶解槽
3 溶解液
4 CFRP材
41 モノマー
5 炭素繊維
6 分解物
2 Dissolution tank 3 Dissolution solution 4 CFRP material 41 Monomer 5 Carbon fiber 6 Decomposition product

Claims (1)

リン酸を含有する溶解液を用いて、炭素繊維強化プラスチック材の母材を溶解する工程を備え、
前記溶解液のリン酸濃度は、100質量%以上であり、
前記溶解液は、2質量%以上50質量%以下のトリフルオロメタンスルホン酸を含有し、
前記溶解する工程は、前記溶解液の温度が200℃以上300℃以下で行われる、
炭素繊維回収方法。
A step of dissolving the base material of the carbon fiber reinforced plastic material using a solution containing phosphoric acid,
The phosphoric acid concentration of the solution is 100% by mass or more,
The solution contains 2% by mass or more and 50% by mass or less of trifluoromethanesulfonic acid,
The dissolving step is performed at a temperature of the dissolving liquid of 200° C. or higher and 300° C. or lower,
Carbon fiber recovery method.
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