JP6044946B2 - 炭素繊維複合材料からの炭素繊維の回収方法 - Google Patents
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Description
[1]
炭素繊維複合材料を陽極酸化して、炭素繊維複合材料の少なくとも一部を繊維状に分解することを含む炭素繊維複合材料からの炭素繊維の回収方法。
[2]
陽極酸化は、電解液として酸性水溶液またはアルカリ性水溶液を用いる[1]に記載の方法。
[3]
酸性水溶液が硫酸含有水溶液である[2]に記載の方法。
[4]
アルカリ性水溶液がKOH含有水溶液である[2]に記載の方法。
[5]
アルカリ性水溶液が多価アルコールまたはアルカリ金属塩をさらに含有する[4]に記載の方法。
[6]
炭素繊維複合材料が炭素繊維強化炭素複合材料(C/Cコンポジット)である[1]〜[5]のいずれか1項に記載の方法。
[7]
炭素繊維複合材料が炭素繊維強化プラスチック(CFRP)であり、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)は、前記陽極酸性に先だって、酸素含有雰囲気中で加熱処理を施されたものである[1]〜[5]のいずれか1項に記載の方法。
[8]
繊維状に分解した分解物を、中和処理、洗浄、または乾燥することをさらに含む[1]〜[7]のいずれか1項に記載の方法。
[9]
[1]〜[8]のいずれか1項に記載の方法で回収した炭素繊維を用いることを特徴とする炭素繊維複合材料の製造方法。
電解液としてのアルカリ性水溶液中のアルカリの濃度は、アルカリの種類、炭素繊維複合材料の種類、電解液の温度、さらには炭素繊維複合材料の陽極酸化による繊維状への分解の容易さ等を考慮して適宜決定でき、例えば、0.01〜10Mの範囲とすることができ、好ましくは0.1〜1Mの範囲である。
実験方法
(A)C/Cコンポジットの処理方法
以下に本実験で用いるC/Cコンポジット(アクロス社製)の性質を表1に示す。
C/Cを陽極、チタンを陰極とした。直流安定化電源を用いて、電解液に浸したC/Cに一定電圧を印加した。電極間距離は、30 mmとした。電流値は1時間おきに測定して、平均を求めた。電解液は300mlとした。電気化学的処理に用いるC/CとTi電極のサイズを図1に、装置図を図2に示す。
(1)陽陰極の電極材の影響
電解液をH2SO4として、陽極・陰極にC/Cを用いて電気化学的処理を行った。
(2)交流電源
交流下でC/Cの分解が可能かどうか調査した。電解液をH2SO4として、周波数50Hz、電圧12 Vで電気化学処理を行った。
(3)各種電解液
H2SO4、HCl、HNO3、H3PO4、クエン酸、NaOH、KOH、LiOHとの各種水溶液を用い、電解液種類によるC/Cの分解への影響を調査した。電解液濃度は、それぞれ0.1Mとした。
(4)電解液濃度
電解液濃度変化によるC/Cの分解率への影響を調査した。電解液濃度を0.05、0.1、0.15、0.2 Mと変化させて処理を行った。
(5)処理時間
処理時間変化によるC/Cの分解への影響を調査した。1 h、2 h、3 h、4 hと処理時間を変化させて行った。
(6)印加電圧
印加電圧の変化によるC/Cの分解への影響を調査した。3 V、6 V、9 V、12 Vと印加電圧を変化させて行った。
分解率=(C/C電解液浸漬部減少重量(g))/(C/C電解液浸漬部重量(g))×100
これらの分解に用いるC/Cの重量は電解液に浸すサイズの比率を元に計算した。また、(A)のC/Cコンポジットの処理前後のサンプルをXRD及びSEMで測定し、炭素繊維の状態を調べた。
陽陰極にC/Cを用いて、電気化学的処理(印加電圧:12 V、処理時間:3 h、電解液:0.1 M H2SO4)を行った結果を表3に示す。
で示される上記の式で算出した。λは固有X線の波長(Å)、βは回折線の半値幅である。計算の結果、処理前の粒径は15.36nm、電気化学的処理後は2.60nmとなった。この結果から電気化学的処理によって、C/Cを細かく分解できることが確認された。
交流電源を用いて交流下でC/Cに電気化学的処理(印加電圧:12 V、処理時間:3 h、電解液:0.1M H2SO4)を行った。結果を表4に示す。同条件下を用いて、直流安定化電源で行ったサンプルNo.5と比較した。
各種電解液の影響を検討した。表5に酸性電解液、表6に塩基性電解液における結果を次ページに示す。各電解液濃度は0.1 M、印加電圧は12 V、処理時間は3 hで行った。
電解液にH2SO4を用い、電解液濃度を変化させて行った。条件は、印加電圧:9 V、処理時間:3 hとした。実験結果を表7に示す。
(G)処理時間の影響
電解液に0.1 M H2SO4、電圧を12 Vと固定して処理時間を変化させた。表8に結果を示す。この実験により、処理時間が長いほどC/Cの分解が促進されることを確認した。
処理時間3 h、0.1 M H2SO4を電解液として用い、印加電圧を変化させた。実験結果を表9に示す。この実験により、印加電圧を高くすると電流値が高くなり、C/Cの分解が促進されることが確認された。
(I)CFRPの処理方法
長さ30 mmのCFRPサンプルを用いた。実験条件を変化させて、CFRPの分解の条件を求めた。
(1)電気化学的処理
CFRPを陽極側にした以外の電気化学的処理は実施例1と同様に行った。即ち、0.1 M H2SO4の電解液に浸した。一定電圧を直流安定化電源にて印加した。陰極にはTi電極を用いた(図1参照)。電解液に浸すサンプルの長さは20 mmとした。電極間距離は30 mmで行った。
(2)前処理として空気中加熱を行った場合
前処理としてサンプルに空気中加熱を行った。加熱温度は300、350、400 ℃にてマッフル炉で0.5 h、1.0 h加熱処理をした。その後、上記(1)と同様の条件で電気化学的処理を行った。
(1)CFRPに電気化学的処理(電解液:0.1 M H2SO4、処理時間:1週間)を行った結果を表10に示す。
(1)の実験において電気化学的処理のみではCFRPを分解することはできなかったので、前処理として熱処理を行った後、電気化学的処理(印加電圧:12 V、処理時間:3 h、電解液:0.1 M H2SO4)を行った。CFRPに含まれるエポキシなどの接着剤の含有率は重量割合で平均40%である。そこで下記の式にしたがって分解率を求めた。
分解率 (%) = (未処理物の重量−処理後の重量)/(0.40×未処理物の重量)
結果を表11に示す。
また、繊維状に分解した理由として加熱処理することによりCFRPのバインダーであるエポキシ樹脂が分解、または炭化したためだと考えられる。この実験から、加熱処理を400 ℃、0.5〜1.0 h行ったのち、電気化学的な処理をすることでCFRPを繊維状に分解できることが確認された。よってこれ以降の実験では、前処理条件を上記のとおり設定して分解を行った。
前処理として熱処理 (400℃、30min空気中加熱) を行ったCFRPを陽極とし、Znを陰極として、電気化学的処理(印加電圧:12 V、処理時間:3 h)を行った。電解液として(1) 0.5mol/L NaOH、(2)0.5mol/L KOH、(3)0.5mol/L NaHCO3、(4)0.5mol/L Na3H(CO3)2、(5)0.5mol/L Na2CO3、(6) 0.3mol/L KOH+プロピレングリコール(10mL/240mL溶液) (7) 0.3mol/L KOH+KCl(0.37g/250mL溶液)を用いた。結果を表12〜14に示す。
KOH>NaOH>Na2CO3>Na3H(CO3)2>NaHCO3
リサイクル用サンプルの作製法
繊維状に分解した炭素繊維を用いてリサイクル材を作製した。炭素繊維にエポキシ樹脂に混練し、型に流し込み、1昼夜放置し試験片とした。試験片のサイズはJIS Z 2241付属B 13B号を参考に、図5のような形状とした。
電気化学的処理により分解した炭素繊維をミルで粉砕した。粉砕した炭素繊維をエポキシ樹脂と混練して、リサイクル材を作製した。なお、エポキシ樹脂として東都化学工業社製ベストンを用いた。結果を表15に示す。
Claims (10)
- 炭素繊維強化炭素複合材料(C/Cコンポジット)を、印加電圧が6V以上で陽極酸化して、その少なくとも一部を繊維状に分解することを含む炭素繊維強化炭素複合材料(C/Cコンポジット)からの炭素繊維の回収方法。
- 炭素繊維強化プラスチック(CFRP)を酸素含有雰囲気中で加熱処理を施した後、印加電圧が6V以上で陽極酸化して、その少なくとも一部を繊維状に分解することを含む炭素繊維強化プラスチック(CFRP)からの炭素繊維の回収方法。
- 陽極酸化における、印加電圧が9V以上である、請求項1または2に記載の方法。
- 陽極酸化における、印加電圧が12V以上である、請求項1または2に記載の方法。
- 陽極酸化において、電解液として酸性水溶液またはアルカリ性水溶液を用いる、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の方法。
- 酸性水溶液が硫酸含有水溶液である請求項5に記載の方法。
- アルカリ性水溶液がKOH含有水溶液である請求項5に記載の方法。
- アルカリ性水溶液が多価アルコールまたはアルカリ金属塩をさらに含有する請求項7に記載の方法。
- 繊維状に分解した分解物を、中和処理、洗浄、または乾燥することをさらに含む請求項1乃至8のいずれか1項に記載の方法。
- 請求項1乃至9のいずれか1項に記載の方法で回収した炭素繊維を用いることを特徴とする炭素繊維複合材料の製造方法。
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