JP2020519751A - 繊維複合材料をリサイクルするための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、繊維複合材料をリサイクルするための方法であって、繊維複合材料を含むエレメントを、インパクトリアクタ（１）に装入し、かつ機械式の荷重作用によって粉砕する方法に関し、このとき、粉砕製品として、固着しているマトリックスを備えた繊維ニードルが発生するように粉砕を行う。

Description

本発明は、繊維複合材料をリサイクルするための方法であって、繊維複合材料を含むエレメントを、機械式の荷重作用によって粉砕する方法に関する。

繊維複合材料は、主要な構成要素として繊維材料を含んでいる。繊維材料はしばしば、例えば織布、スクリム、またはマットの形態のラミネートの形態で存在している。繊維材料は、マトリックス（母材）内に埋め込まれており、マトリックスはしばしば、例えばプラスチックのような熱硬化性プラスチックであるポリマ材料から成っている。繊維複合材料は、種々様々な製品において加工され、かつ例えば船舶構造、ならびに航空技術および宇宙航空技術における成形品または構造部材として使用される。さらに風力発電機用のロータブレードは、しばしば繊維複合材料製の構造部材を含んでいる。

繊維複合材料から製造された構造部材は、制限された耐用寿命を有している。したがって例えば材料疲労に基づいて、風力設備のロータブレードを約１０年後に交換することが必要である。しかしながら交換は、他の幾何学形状を備えたロータブレードを取り付けることが望ましい場合には、既に早期において行われる。大量の繊維複合材料に基づいて、材料を再利用に供給する要求が存在する。

このときしかしながら、プラスチックのような熱硬化性材料製のマトリックスの使用時には、マトリックスの可逆式の溶融が不可能であるという問題である。

したがって、繊維複合材料からなるエレメントは今まで、繊維複合材料が粉末の形態で存在するように粉砕されていた。このような方法は、例えば欧州特許出願公開第０４７３９９０号明細書に基づいて公知である。この方法による成果物、つまり粉末は、次いで新たな成形品を製造するための骨材物質として使用される。このとき骨材物質は主に充填材料として働き、かつ材料特性を改善しないという欠点がある。

本発明の根底を成す課題は、方法による成果物が、高価値の再利用に供給可能な粉砕製品である、繊維複合材料を再利用するための方法を開発することである。

この課題は、請求項１に記載の特徴によって解決される。好適な構成は、従属請求項に記載されている。

本発明に係る、繊維複合材料をリサイクルするための方法では、繊維複合材料を含むエレメントを、インパクトリアクタに装入し、かつ機械式の荷重作用によって粉砕し、このとき、粉砕製品として、固着しているマトリックスを備えた繊維ニードルが発生するように粉砕を行う。

従来技術に基づいて、エレメント、つまり繊維複合材料を含む製品または部材を、粉砕製品が粉末であるように粉砕することが従来公知である。択一的に、マトリックスを完全に繊維から分離することが試みられた。しかしながら、このとき、マトリックスの固着を可能にするために繊維を予備処理しているコーティングを除去し、かつ新たに装着しなければならないという問題がある。さらにこの方法には、極めて手間がかかる。それというのは、繊維材料とマトリックスとは、極めて堅固に結合されているからである。さらに問題なのは、このようにして個別化された繊維は、本来の繊維材料の本来の強度をもはや有していないということである。

従来技術に基づいて公知の方法とは異なり、本発明によれば、粉砕された繊維材料、つまり繊維ニードルに、マトリックスが固着していることが望まれている。したがって方法による成果物、つまり粉砕製品は、マトリックスによって取り囲まれている繊維または繊維束から成るニードル形状の繊維エレメントである。したがって、出発材料の繊維材料およびマトリックスが、再利用に供給される。

このとき方法の運用は、好ましくは、繊維ニードルに、非規則な構造を備えた破壊エッジが生じるように行われ、このような破壊エッジは、新たなマトリックスの付着を改善する。したがって粉砕時に繊維複合体は、破壊されて開放され、かつ繊維分はマトリックスと一緒に個別化される。

好ましくは、粉砕製品は、０.１ｍｍ〜２０ｍｍの繊維長さを備えた繊維ニードルを含んでいる。このときフラクション（破片）は、比較的大きい繊維長さを備えたまたは比較的小さい繊維長さを備えた繊維ニードルを含むことができる。好ましくは、粉砕製品のフラクションの９０重量％の繊維長さは、０.１ｍｍ〜２０ｍｍである。特に好ましくは、粉砕製品は、１ｍｍ〜１０ｍｍの繊維長さを備えた繊維ニードルを含んでいる。したがってインパクトリアクタ内において粉砕されるエレメントのフラクションから、異なった繊維長さを有する、固着しているマトリックスを備えた繊維ニードルが発生し、このとき繊維長さは、１ｍｍ〜１０ｍｍである。粉砕製品は、流動性であり、かつミキサにおいて加工することができる。したがって粉砕製品、つまり繊維ニードルは、簡単な手段で再加工することができる。

出発材料、つまり粉砕すべきエレメントは、約３０重量％〜４０重量％のマトリックスと６０重量％〜７０重量％の繊維とを含んでいる。

上に述べた長さの繊維ニードルから、新たな成形品を製造することができ、このとき繊維ニードルの任意の方向付けと、異なった長さの繊維ニードルの均等な分布とによって、一方では等大の強度特性が生ぜしめられ、かつ他方では新たに製造された成形品の驚くほど高い強度が生ぜしめられる。したがって繊維ニードルの形態のリサイクルされた繊維材料を、高価値の再利用に供給することができる。

大量の粉砕製品に対しては、篩分析を用いて篩ライン（篩序列）を確定することができる。このとき例えば、粉砕すべきエレメントのフラクションに対して、それぞれ１つの篩分析を実施し、かつ粉砕されたフラクションに対して、篩ラインを確定することが考えられる。

篩ラインは、粉砕されたフラクションの粉砕された繊維ニードルの繊維長さの分布を示している。これによって、どのような繊維長さ分布を、粉砕されたフラクションの粉砕製品が有しているかを決定することができる。

これにより異なった篩ラインを有する種々様々なフラクションの混合によって、大量の粉砕製品のために、設定された繊維長さ分布を得ることが可能である。このことは、等しいままの製品特性を備えた成形品の製造を可能にする。さらに、種々様々な使用目的のために、確定された繊維長さ分布を有することが望ましい種々様々なレセプトを設定することが考えられる。このときこのような確定された繊維長さ分布は、種々様々な繊維長さ分布を有する、粉砕製品のフラクションの所望の混合によって得ることができる。

好適なインパクトリアクタは、円筒形の周壁を有しており、この周壁は、一方の端面に底部を、かつ他方の端面に蓋を備えている。底部には、回転可能に支持されたインパクト体が対応配置されている。円筒形の周壁、底部、および蓋は、インパクトリアクタ室を閉鎖している。蓋は、エレメントを収容するための開口を備えている。インパクト体は、チェーンを含んでいても、またはインパクトエレメントを備えたロータとして形成されていてもよい。

インパクトリアクタの周囲領域には、排出開口が配置されていてよい。このとき排出開口は、好ましくは周壁に対応配置されている。排出開口は、フラップを用いて閉鎖可能であってよい。排出開口は、粉砕製品の排出を可能にする。

好ましくは、排出開口は、粉砕製品がインパクトリアクタから連続的に排出され得るように形成されている。このとき好ましくは、インパクトリアクタ室内における繊維複合材料の滞在時間は、インパクト体による機械的な作用が制限されるように極めて短い。粉砕製品の排出は、所望の繊維長さが得られた場合に既に行われている。このとき好ましくは、大部分のマトリックスは、依然として繊維に固着しており、かつ粉砕製品を形成する繊維ニードルは、新たなマトリックスの付着を改善する鋭くて不規則な破壊エッジを有している。

排出開口は、スリットを備えたまたは穿孔されたカバープレートによってカバーされていてよい。スリットを備えたまたは穿孔されたカバープレートは、一方では粉砕製品の連続的な排出を可能にし、かつ他方では、粉砕製品が所望の繊維長さに達するや否や、粉砕製品の排出を可能にする。これによって一方では、インパクトリアクタ内における繊維複合材料の滞在時間は極めて短くなり、かつ他方では、大きな繊維長さを備えた繊維ニードルをインパクトリアクタから排出することができる。

したがって、粉砕された材料の連続的な排出が、エレメントの粉砕中に行われる。粉砕製品は、粉砕製品がカバープレートを通過する程度に粉砕された場合に直ぐにインパクトリアクタから排出される。

カバープレートの選択は、予め実施された篩分析に依存して変化させることができる。このときカバープレートは、貫通開口の直径および幾何学形状に関して、所望の繊維長さ分布を備えた繊維ニードルがインパクトリアクタから排出され得るように選択されることができる。

種々様々に寸法設定された貫通開口を備えたカバープレートが設けられていてよい。これによって繊維長さに依存した繊維ニードルの分離を、既にインパクトリアクタからの繊維ニードルの排出時に行うことができる。

さらなる粉砕を実施することが望ましい場合には、カバープレートをカバーフラップによって閉鎖することができる。

カバープレートに加えて、大部分を排出するための排出フラップが設けられていてよい。このことは特に、材料組合せを備えた複合材料がインパクトリアクタ内において加工される場合に好適である。複合材料が、金属部分と繊維複合材料とを含んでいる場合には、繊維ニードルの形態の繊維複合材料は、粉砕中にインパクトリアクタから連続的に排出される。金属部分は、次いで排出フラップを介して取り出すことができる。

インパクトリアクタには、仕分け装置（Klassiereinrichtung）が対応配置されていてよい。仕分け装置は、排出開口に直接接続されていてよい。仕分け装置は、繊維長さによって粉砕製品の選別（Sortierung）を可能にする篩を含んでいてよい。したがって排出開口からの粉砕製品の排出後には、篩分析を実施することができる、もしくは繊維を繊維長さによって選別することができる。このことは、確定された繊維長さを備えた繊維を好適にまとめることを可能にする。好適に選択された繊維長さ分布は、カバープレートの上に記載された選択によっても得ることができる。これによって、特に高価値の新たな成形品を製造することができる。

繊維材料は、ガラス繊維、炭素繊維、玄武岩繊維、および／またはアラミド繊維を含んでいてよい。ガラス繊維または玄武岩繊維から製造された繊維複合材料は、確かに安価であるが、しかしながら、特に大きな個数でも生じてしまう。炭素繊維から製造された繊維複合材料は、特に高価であり、かつ加工が困難である。このような繊維複合材料のリサイクルは、高い強度に基づいて、従来困難であった。しかしながら、繊維ニードルから製造された成形体は、特に繊維ニードルが炭素繊維を含んでいる場合に、極めて良好な材料特性を有することが示されている。このとき粉砕製品を形成している繊維ニードルは、マトリックスが固着している炭素繊維の束から成っている。

マトリックスと繊維とから成る堅固な複合体を生ぜしめることができるようにするために、繊維はサイズ剤を含む。この場合、例えば、ガラス繊維はガラス繊維サイズ剤を含み、炭素繊維は炭素繊維サイズ剤を含む。サイズ剤は、コーティングの形態で繊維に付着していて、マトリックスに対する固着性を改善する。本発明に係る方法によって製造された繊維ニードルは、固着しているサイズ剤と固着しているマトリックスとを備えた繊維を含んでいる。この場合、繊維ニードルが新たにサイズ剤を含むことは不要である。繊維ニードルを、新たなマトリックス内に直接埋め込み、かつ成形品に再加工することが可能である。本来のサイズ剤が繊維に固着していることによって、繊維への新たなマトリックスの堅固な結合が保証されている。これによって、再利用された繊維材料を使用するにもかかわらず、驚くほど高い強度値を備えた成形品が生ぜしめられる。

エレメントは、インパクトリアクタにおける粉砕前に、予備粉砕に供給されてよい。予備粉砕によって、大きな成形品から、例えば風力設備のロータブレードから、インパクトリアクタに充填することができるブロックに似たエレメントを製造することができる。予備粉砕は、例えば鋸またはウォータジェット切断によって行うことができる。予備粉砕によって生じるエレメントは、次いで、例えばコンベヤベルトのような汎用の搬送装置を用いて搬送可能であり、かつ流動可能である。

好適な構成によれば、粉砕製品は、新たなマトリックスと混合され、かつ成形品に加工することができる。本発明に係る方法によって製造される繊維ニードルは、攪拌可能であり、かつ例えば汎用の攪拌機またはミキサにおいて加工することができる。篩ラインの確定によって、確定された繊維長さ分布を備えた繊維構成を得ることができ、これによって、所望の機械的な特性を備えた成形品を製造することができる。

本発明に係る成形体は、上に記載された方法によって得られる繊維ニードルとマトリックスとを含んでいる。マトリックスは、好ましくは、例えばプラスチックである熱硬化性の材料から形成されている。そのために繊維ニードルは、液状のマトリックスと混合されて、例えばプレートウェアである成形品に再加工される。再加工は、例えばプレス機を用いて、かつ熱の作用によって行われる。このときマトリックスは硬化し、かつ繊維とマトリックスとの堅固な複合体が形成される。繊維ニードルは、予め選択された繊維長さ分布を有することができる。このとき繊維ニードルの選択は、予め実施された篩分析を用いて行うことができる。

マトリックスとの繊維の混合と、プレス機における再加工とによって、繊維ニードルの均等な分布と方向付けとが生ぜしめられる。これによって新たに製造された成形品は、等大の強度特性を有している。種々様々な繊維長さの繊維ニードルの使用によって、比較的長い繊維ニードルの間における中間室内において、比較的短い繊維ニードルを付着させることができる。さらに、本発明に係る方法において同様に生ぜしめることができる粉末形状の粉砕製品をも加工される。このとき好ましくは、繊維ニードルの密な配置形態によって、機械的に堅固な複合体が生ぜしめられ、かつ成形品を製造するために、僅かな量の新たなマトリックスしか必要としない。

出発製品は、粉砕前に、約３０重量％〜４０重量％のマトリックスと６０重量％〜７０重量％の繊維とを有している。粉砕された繊維ニードルから新たに製造された成形品は、４５重量％〜５５重量％、好ましくは５０重量％のマトリックスを有している。したがって新たな成形品は、比較的僅かな量の、新たに加えられたマトリックスしか含んでいない。新たに加えられたマトリックスの量は、単に１０重量％〜２０重量％である。したがって繊維ニードルから製造された成形品は、依然として極めて高い繊維分を有しており、このような繊維分に基づいて、高い強度が得られる。

次に図面を参照しながら本発明に係る方法について詳説する。

本発明に係る方法を実施するためのインパクトリアクタを示す概略図である。

図１には、インパクトリアクタ１、もしくは繊維複合材料を含むエレメントを粉砕するためのインパクトリアクタアセンブリが示されている。

出発材料は、例えば風力設備のロータブレードであり、このようなロータブレードは、炭素繊維製の繊維複合材料から成る埋め込まれた異形材の形態の構造部材を有している。このようなロータブレードは、６０ｍの長さを有していることがある。材料をインパクトリアクタ１に供給できるようにするために、まずロータブレードの予備粉砕が行われ、この予備粉砕時に、ブロックに似たエレメントが発生する。予備粉砕は、鋸を用いて行われる。

出発製品は、粉砕の前に、約３５重量％のマトリックス（母材）と、６５重量％の、炭素繊維の形態の繊維材料とを有している。マトリックスは、熱硬化性プラスチックから成っていて、かつ炭素繊維と共に堅固な複合体を形成している。

インパクトリアクタ１は、金属材料製の底部１０と円筒形の周壁２とを含んでいる。底部領域において周壁２の内部には、ロータ３が配置されており、このロータ３は、インパクトエレメント５を備えている。ロータ３は、電動機６に作用結合されていて、この電動機６は、周壁２の外側に配置されている。ロータ３を電動機６に結合している軸は、円筒形の周壁２の軸線方向に延びている。ロータ３は、羽根４を備えていて、これらの羽根４は半径方向において軸から突出している。自由な羽根４の端部には、インパクトエレメント５が配置されている。インパクトエレメント５は、羽根４に交換可能に固定されている。

インパクトリアクタ１は、ロータとは反対側の端面において蓋７によって閉鎖されており、これによって底部１０、周壁２、および蓋７は、インパクトリアクタ室を取り囲んでいる。蓋７は、エレメントを充填するための充填開口９を有している。さらに周壁２は、ロータ３の高さに、粉砕製品を排出するための排出開口８を備えている。排出開口８には、穿孔されたカバープレート１１が挿入されている。カバープレート１１は、所望の粒子サイズの粉砕製品を通過させる篩を形成している。

粉砕のために、予備粉砕されたエレメントは、充填開口９を介してインパクトリアクタ室内に装入される。エレメントは、インパクトエレメント５を備えたロータ３の作用下で、繊維ニードルの形態の粉砕製品へと粉砕され、かつ排出開口８を介してインパクトリアクタ室から排出される。インパクトリアクタ室からの粉砕製品の取出しは、本構成では連続的に行われる。したがって繊維ニードルは、所望の繊維長さが得られた直後に排出される。

択一的に、排出開口は、フラップによって閉鎖可能であってもよく、このように構成されていると、装置は、バッチ形式の作動のためにも適している。

繊維ニードルの形態の粉砕製品は、０.１ｍｍ〜１０ｍｍの繊維長さを有している。繊維ニードルは、繊維材料と、繊維材料に固着しているマトリックスとから成っている。繊維材料は、さらに繊維束と、繊維材料におけるマトリックスの堅固な固着を可能にするサイズ剤とから成っている。したがって繊維ニードルは、依然として繊維材料とマトリックスとから成る複合材料である。繊維材料は、マトリックス内に埋め込まれており、このとき繊維ニードルは、粉砕に基づいて、角の鋭い不規則な破壊エッジを有しており、このような破壊エッジは、新たなマトリックスの固着を改善する。

インパクトリアクタ１における粉砕後に、繊維ニードルのフラクション（破片）に基づいて、篩分析が実施され、かつ篩ライン（篩序列）が確定される。これによってフラクションの繊維長さ分布が明らかになり、種々様々なフラクションの混合によって、設定された繊維長さ分布を備えた繊維ニードルから成る混合物を製造することができる。篩分析は、小さくなるメッシュ幅を備えた複数の篩における繊維ニードルの篩分けによって行われる。

新たな成形品を製造するために、所望の繊維長さ分布を備えた繊維ニードルが、新たなマトリックスと攪拌機において混合される。新たなマトリックスは、好ましくは熱硬化性プラスチックから成っている。混合後に、プレス機において形状付与が行われる。このとき熱が供給されてよい。新たなマトリックスの硬化後に、新たな成形品が形成される。

この方法は、特に、リサイクルされた繊維ニードルから成る繊維複合体を備えたプレートウェア、異形材、または三次元の成形品を製造するために適している。粉砕された繊維ニードルから新たに製造された成形体は、全体として５０重量％のマトリックスを有している。新たに加えられるマトリックスの量は、単に１５重量％である。繊維の分量は、５０重量％である。ここで使用される繊維ニードルの繊維長さは、１ｍｍ〜１０ｍｍである。

成形体は、多層体として形成されていてもよい。このとき少なくとも１つの層は、繊維ニードルを含んでいる。成形体は、サンドイッチとして成形されていてよく、かつ繊維ニードルの層の他に、例えば織布の形態の繊維材料から成る別の層を有していてよい。繊維ニードルを備えた層は、中心層を形成していてよい。このような成形体は、特に高い強度と価値のある外観を有している。

好ましくはまた、本発明のように製造された繊維ニードルを備えた成形体を、新たにリサイクルに供給することも可能である。

繊維ニードルは、例えばタイヤまたはこれに類したもののようなゴム製品である、エラストマ製品における骨材（Zuschlag）として用いることもできる。

Claims (11)

1. 繊維複合材料をリサイクルするための方法であって、前記繊維複合材料を含むエレメントを、インパクトリアクタ（１）に装入し、かつ機械式の荷重作用によって粉砕し、このとき、粉砕製品として、固着しているマトリックスを備えた繊維ニードルが発生するように粉砕を行う、方法。
2. 前記粉砕製品は、０.１ｍｍ〜２０ｍｍの繊維長さを備えた繊維ニードルを含んでいる、
   請求項１記載の方法。
3. 前記粉砕製品の量に対して、篩分析を用いて篩序列を確定する、
   請求項１または２記載の方法。
4. 前記粉砕製品を、前記インパクトリアクタ（１）から連続的に排出する、
   請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記インパクトリアクタ（１）は、排出開口（８）を有している、
   請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記排出開口（８）は、スリットを備えたまたは穿孔されたカバープレート（１１）によってカバーされている、
   請求項５記載の方法。
7. 前記繊維複合材料は、ガラス繊維、炭素繊維、玄武岩繊維、および／またはアラミド繊維を含んでいる、
   請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記粉砕製品は、固着しているサイズ剤および固着しているマトリックスを備えた炭素繊維を含んでいる、
   請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 前記エレメントを、前記インパクトリアクタ（１）内における前記粉砕前に、予備粉砕に供給する、
   請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 前記粉砕製品を、新たなマトリックスと混合し、かつ成形品に加工する、
    請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法によって得られる繊維ニードルとマトリックスとを含む成形体。

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