JP3215783U - リサイクル炭素繊維束 - Google Patents

Abstract

【課題】廃材や端材を焼却し、熱エネルギを回収する従来のサーマルリサイクルではなく、ＣＦＲＰ廃材のマトリックス樹脂を熱分解し、所望の炭素繊維束を取り出し、補強効果に優れ、マトリックス樹脂への分散性にも優れる、リサイクル炭素繊維束を提供する。【解決手段】ＣＦＲＰのマトリックス樹脂を熱分解して得られるリサイクル炭素繊維束であって、熱分解が樹脂分解ガスを循環させた熱分解であることを特徴とする。樹脂残渣重量が、リサイクル炭素繊維束の重量の７〜１７％であり、リサイクル炭素繊維束のアスペクト比（長さ／幅）が０．５〜５であることが好ましい。【選択図】図１

Description

本考案は、樹脂に炭素繊維を強化材として添加したＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）の廃材から得られるリサイクル炭素繊維束に関する。

ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）とは、各種繊維（ガラス繊維や炭素繊維等）で補強された樹脂をいい、耐熱性及び耐圧性に優れ強度の高い素材として、ロケットや航空機等に代表される高付加価値の物の他、各種日用品等に適用されるに至り、汎用的に用いられるようになっている。

しかし、かかるＦＲＰから成る製品を製造する過程で発生する端材や屑、及び廃棄の対象とされるＦＲＰ製品から成る廃材は、その性質上、リサイクルが困難であり、一般に、破砕又は焼却した後に埋め立て処理されていた。近年、埋め立て処分場の問題やエポキシ樹脂から発生する環境ホルモン等の問題等が社会問題化されてきているため、そのリサイクル技術の確立が強く求められており、廃材や端材等を焼却し、その焼却の際の熱エネルギを回収するサーマルリサイクルや、廃材を微粉砕して別の製品を製造する際の原材料に一部添加して再利用するマテリアルリサイクルを図ることが提案されていた。しかしながら、焼却後に残る炭素繊維は依然埋め立てなければならず、再利用の際の原材料への添加量も限られており、理想的なリサイクル技術ではなかった。

特に、ＦＲＰのうち樹脂に炭素繊維を強化材として添加したＣＦＲＰについては、樹脂と炭素繊維との分別を図ることができにくく、また、ガラス繊維等を補強材とした他のＦＲＰに比べ、完全に溶融して成形するのが困難であるという事情から、リサイクル技術の確立が極めて難しいという問題があった。また、マテリアルリサイクル技術で分別しようとした場合には、熱処理に過大なネルギーが必要となるという問題もあった。

上述のような問題を解決すべく、例えば、特許文献１には、炭化物の付着量が１０％以下のリサイクル炭素繊維束が記載されているが、付着量が極端に低い（３．５％以下）場合は炭素繊維束の形態保持が難しく、所望の物性が得られない可能性がある。また、粉砕物を層厚３００ｍｍ以内で熱処理する態様が記載されているが、層厚３００ｍｍでは、厚すぎて熱が内部まで伝わり切らず熱処理が不十分になる可能性がある。

また、特許文献２の実施例には、２度の熱処理で樹脂残渣重量の比率を−１．７％まで低減させた炭素繊維が開示されているが、樹脂残渣重量がマイナスとなるのは、炭素繊維自体まで熱処理されたことを意味するものであり、炭素繊維自身の物性が十分に発揮されない可能性がある。

特開２００５−３０７１２１号公報 特許第３２８３９６７号公報

本考案は、このような事情に鑑みてなされたもので、廃材となったＣＦＲＰからマトリックス樹脂を熱分解して取り出した、補強効果に優れ、マトリックス樹脂への分散性にも優れるリサイクル炭素繊維束を提供することにある。

上記課題を解決するために、（１）ＣＦＲＰのマトリックス樹脂を熱分解して得られる炭素繊維束であって、樹脂分解ガスを循環させる工程で得られることを特徴とする、リサイクル炭素繊維束であること。（２）樹脂残渣重量が炭素繊維束の７〜１７％であること。
（３）炭素繊維束のアスペクト比（炭素繊維束の長さ／炭素繊維束の幅）が０．５〜５であること。（４）該炭素繊維束に含まれる炭素繊維の長さが３〜２０ｍｍであること。
（５）炭素繊維束の嵩密度が０．２〜０．４ｇ／ｃｃ以下であること。（６）熱処理する炭素繊維複合材料が廃材であること。（７）熱処理工程における温度が４００〜６００℃であること。（８）樹脂残渣重量を炭素繊維束の７〜１７％に制御することで、得られる。

このように、本考案によれば、廃材となったＣＦＲＰからマトリックス樹脂を熱分解して取り出した、補強効果に優れ、マトリックス樹脂への分散性にも優れるリサイクル炭素繊維束が得られる。このリサイクル炭素繊維束は、安価で寸法安定性に優れたものであり、多用途へ展開可能なペレット用途に好適である。

本考案で得られるリサイクル炭素繊維束の形状の一例を示す図である。 本考案で得られるリサイクル炭素繊維束の形状の他の例を示す図である。 本考案で得られるリサイクル炭素繊維束の形状の他の例を示す図である。 本考案で得られるリサイクル炭素繊維束の形状の他の例を示す図である。 本考案で得られるリサイクル炭素繊維束の形状の他の例を示す図である。 本考案で得られるリサイクル炭素繊維束の形状の他の例を示す図である。 本考案で得られるリサイクル炭素繊維束の形状の他の例を示す図である。 本考案で得られるリサイクル炭素繊維束の形状の他の例を示す図である。

以下に、本考案について、実施例、比較例とともに詳細に説明する。

本考案に係るリサイクル炭素繊維束は、ＣＦＲＰのマトリックス樹脂を熱分解して得られるリサイクル炭素繊維束であって、熱分解が樹脂分解ガスを循環させた熱分解であることが重要である。樹脂分解ガスを直接循環させることで、樹脂分解ガスを別途処理して排出する必要がなくなるため、省エネや製造エネルギーコスト低減が可能となる。

本考案では、廃材となったＣＦＲＰ成形物を破砕したものを用いることが好ましい。破砕する場合は、その後の加工性を考慮すると、粉砕後の最大長は２０ｍｍ以下に破砕するのが好ましい。このようなＣＦＲＰの破砕機としては、せん断式破砕機、衝撃式破砕機、切断式破砕機、圧縮式破砕機が適用できる。どの破砕機を使用しても問題なく、組み合わせることも可能である。また、破砕品の分級機としては、振動ふるい機、ジャイロ式ふるい機、遠心式ふるい機が適用できる。破砕機の破砕能力および破砕物の形態に合わせて使用するのが好ましい。

破砕したＣＦＲＰ成形物の、空気雰囲気下での熱処理温度は４００℃〜６００℃が好ましい。空気雰囲気下熱処理温度が６００℃を超えると、樹脂残渣は完全になくなり、炭素繊維のみの状態になり、炭素繊維束の収束性がなくなり、単糸が飛散して作業に支障を来たすため、取り扱い性が不良となる。また、炭素繊維束表面が傷んでしまうため、補強効果も期待出来ない。逆に熱処理温度が４００℃未満になると、樹脂残渣量が多く、炭素繊維束の表面が硬くなり、分散性が不良となり、十分な補強効果が得られないことが予想される。

また、リサイクル炭素繊維束中に含まれる樹脂残渣量が、該リサイクル炭素繊維束の重量の７〜１７％であることが好ましい。樹脂残渣量が該リサイクル炭素繊維束の重量の１７％を超えると、リサイクル炭素繊維束の表面が硬くなる、このようなリサイクル炭素繊維束を再利用する際、単糸レベルの炭素繊維への分散性が不良となり、この炭素繊維を用いた成形品として十分な補強効果が得られない。逆に、樹脂残渣量が該リサイクル炭素繊維束の重量の７％未満であると、リサイクル炭素繊維束の収束性がなくなり、単糸が飛散しやすくなり、リサイクル工程での取り扱い性が不良となる。適度な樹脂残渣量がリサイクル炭素繊維束の収束性、即ち形態保持性を付与しやすくなる。

なお、本考案における樹脂残渣量（％）は、
（熱処理後の炭素繊維束の重量−完全に樹脂成分を除去した重量）／熱処理後の炭素繊維束の重量×１００
として計算した。ここで、「完全に樹脂成分を除去した重量」とは、電気炉で６００℃×３時間加熱し、完全に樹脂成分を除去した重量を指す。

リサイクル炭素繊維束のアスペクト比（炭素繊維束の長さ／炭素繊維束の幅）は０．５〜５が好ましい。アスペクト比が５を超えると、リサイクル炭素繊維束の幅が微細になり、投入時に単糸が飛散しやすくなり、リサイクル工程での取扱い性が不良になる。逆にアスペクト比が０．５未満であると、リサイクル炭素繊維束の幅が大きくなる。このようなリサイクル炭素繊維束を再利用する際、単糸レベルの炭素繊維への分散性が不良となり、この炭素繊維を用いた成形品として十分な補強効果が得られない。

ここで、本考案におけるリサイクル炭素繊維束のアスペクト比、平均長さ、および幅はｎ＝５０の測定値の平均である。図１から図８に示すように、炭素繊維束の長さは繊維方向の最大長さを測定し（Ｌ：ｍｍ）、炭素繊維束の幅は繊維方向の９０°方向の最大長さを測定し（Ｗ：ｍｍ）、アスペクト比はＬ／Ｗで算出することができる。

リサイクル炭素繊維束に含まれる炭素繊維の平均長さは３〜２０ｍｍが好ましく、さらに好ましくは５〜１５ｍｍである。繊維長のバラツキが狭い範囲にあれば、リサイクル炭素繊維束を再利用する際、単糸レベルの炭素繊維にまで均一に分散しやすく、この炭素繊維を用いた成形品は高い補強効果を発現できる。炭素繊維の平均長さが２０ｍｍを超えると、再利用時の単糸レベルへの分散性が不良となり、成形品として十分な補強効果が得られない。逆に炭素繊維の長さが３ｍｍ未満であると、リサイクル炭素繊維束から得られる単糸レベルの炭素繊維長が短いため、成形品として十分な補強効果が得られない。

リサイクル炭素繊維束の嵩密度は０．２〜０．４ｇ／ｃｍ^３であることが好ましい。嵩密度が０．４ｇ／ｃｍ^３を超えると、リサイクル炭素繊維束のアスペクト比および炭素繊維の平均長さが前述した範囲内にあるにも関わらず、樹脂残渣量が前述した範囲を超えた状態となるため、リサイクル炭素繊維束の表面が硬くなる。その結果、再利用時の単糸レベルへの分散性が不良となり、成形品として十分な補強効果が得られなくなる。

なお、本考案におけるリサイクル炭素繊維束の嵩密度（ｇ／ｃｍ^３）は、５００ｃｍ^３のメスシリンダーにリサイクル炭素繊維束を４００ｃｍ^３の目盛まで入れ、重量を計測後、メスシリンダーを約３ｃｍの高さから１０回タッピングし、メスシリンダーの目盛から容量を読み取り、（リサイクル炭素繊維束の重量：ｇ）／（１０回タッピング後の容量：ｃｍ^３）の計算式から嵩密度を算出する。測定済のリサイクル炭素繊維束とは別のリサイクル炭素繊維束（同じ生産ロットのもの）を使用して、同様の方法で嵩密度を算出し、この２回の測定値を平均した値を、リサイクル炭素繊維束の嵩密度（ｇ／ｃｍ^３）とした。

〔実施例〕
破砕および分級（微粉除去）を施した廃ＣＦＲＰ片１００ｋｇを、ロータリーキルン炉に投入し、処理温度を所定温度（５２５℃）に保って、処理時間２０分間で熱処理を行った。その後、振動ふるい機で分級処理を行うことで、表１に示すスペックを有する４２ｋｇのリサイクル炭素繊維束を得た。

二軸押出機により、ＰＡ６６（ナイロン６６）樹脂にリサイクル炭素繊維束を添加して溶融混錬を行い、コンパウンド化することでリサイクル炭素繊維ペレットを得た。このペレットを射出成形して得た平板を、幅１０ｍｍ、長さ８０ｍｍ、厚さ４ｍｍの板（試験片）に加工し、支点間距離６４ｍｍで３点曲げ試験を行った（ＩＳＯ１７８、ＪＩＳ Ｋ ７１７１（２０１６））。結果は、曲げ強度が３１３ＭＰａ、曲げ弾性率は１５．３ＧＰａであった。

材料となるＣＦＲＰとしては、東レ（株）製の炭素繊維プリプレグ（“ＴＯＲＡＹＣＡ”（登録商標）プリプレグ）Ｐ２３５２Ｗ−１９（炭素繊維：Ｔ８００ＳＣ−２４Ｋ、エポキシ樹脂３５重量％含有）を１８０℃で２時間硬化させたものを使用した。

〔比較例〕
東レ（株）製の炭素繊維“ＴＯＲＡＹＣＡ”（登録商標）をカットしたカットファイバー（ＴＶ１４−００６）とＰＡ６６とを二軸押出機に投入し、ＰＡ６６（ナイロン６６）樹脂に炭素繊維を添加して溶融混錬を行い、コンパウンド化することで炭素繊維ペレットを得た。このペレットを射出成形して得た平板を、幅１０ｍｍ、長さ８０ｍｍ、厚さ４ｍｍの板（試験片）に加工し、実施例と同じ試験方法で３点曲げ試験を行った。結果は、曲げ強度が３２３ＭＰａ、曲げ弾性率は１４．３ＧＰａであった。

上記のように、リサイクル炭素繊維束を用いても、通常の炭素繊維カットファイバーを用いた成形品と同等の物性を得られることを確認した。

本考案によれば、ＣＦＲＰ廃材のマトリックス樹脂を熱分解して得られるリサイクル炭素繊維束を、射出成形用ペレットの強化繊維として用いることができる。さらに、ＳＭＣや熱可塑樹脂繊維の不織布への混紡等のプレス成形加工品への適用も期待できる。

Claims (6)

1. ＣＦＲＰのマトリックス樹脂を熱分解して得られるリサイクル炭素繊維束であって、前記熱分解が樹脂分解ガスを循環させた熱分解であることを特徴とする、リサイクル炭素繊維束。
2. リサイクル炭素繊維束中に含まれる樹脂残渣重量が、該リサイクル炭素繊維束の重量の７〜１７％であることを特徴とする、請求項１に記載のリサイクル炭素繊維束。
3. 前記リサイクル炭素繊維束のアスペクト比（リサイクル炭素繊維束の長さ／リサイクル炭素繊維束の幅）が０．５〜５であることを特徴とする、請求項１または２に記載のリサイクル炭素繊維束。
4. 前記リサイクル炭素繊維束に含まれる炭素繊維の長さが３〜２０ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のリサイクル炭素繊維束。
5. 前記リサイクル炭素繊維束の嵩密度が０．２〜０．４ｇ／ｃｍ^３であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のリサイクル炭素繊維束。
6. 熱処理される前記ＣＦＲＰが廃材であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のリサイクル炭素繊維束。