JP6399344B2 - 炭素繊維含有物の粉砕方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭素繊維含有物の粉砕方法に関する。

炭素繊維を含む複合材料は、軽量で高強度であることから、航空機、自動車、スポーツ用品等の分野において軽量化材料として注目されている。
その一方で、今後の需要の拡大に伴って、炭素繊維を含む複合材料の廃材が大量に発生することが予想される。そのため、炭素繊維を含む複合材料の廃材を分解して再利用する方法が検討されている。
炭素繊維を含む複合材料を分解し、炭素繊維を回収して再利用する方法として、熱分解法、常圧溶解法、超臨界流体法、亜臨界流体法等が知られている。しかし、コスト等の問題があり、現在、炭素繊維を含む複合材料の廃材の多くは、埋め立て処分されている。
また、特許文献１には、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が記載されている。

特開２０１３−２４９３８６号公報

炭素繊維を含む複合材料を分解し、炭素繊維を回収して再利用する方法において、炭素繊維を含む複合材料を粉砕機を用いて物理的に粉砕する場合、該複合材料が高強度であるため、粉砕機の摩耗が激しく、設備の維持費が高価になるという問題があった。
さらに、粉砕に伴って発生する短い炭素繊維（フライ）や粉塵が大気中に飛散し、集塵機における電気障害の原因となるという問題があった。
本発明の目的は、設備の維持費が安価であり、かつ、炭素繊維のフライや粉塵が飛散することなく、炭素繊維含有物を粉砕することができる方法を提供することである。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、電圧印加用の水の中に浸漬された炭素繊維含有物に、パルス電圧を印加することによって、上記炭素繊維含有物を粉砕する方法によれば、上記目的を達成することができることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、以下の［１］〜［６］を提供するものである。
［１］ 電圧印加用の水の中に浸漬された炭素繊維含有物に、パルス電圧を印加することによって、上記炭素繊維含有物を粉砕することを特徴とする炭素繊維含有物の粉砕方法。
［２］ 上記電圧印加用の水の導電率が、１０，０００ｍＳ／ｍ以下である、上記［１］に記載の炭素繊維含有物の粉砕方法。
［３］ 上記炭素繊維含有物を粉砕してなる粉砕物の平均粒径が、１０ｍｍ以下である、上記［１］または［２］に記載の炭素繊維含有物の粉砕方法。
［４］ 上記パルス電圧の電圧が５０〜３００ｋＶであり、かつ、印加回数が５０〜１，０００回である、上記［１］〜［３］のいずれかに記載の炭素繊維含有物の粉砕方法。
［５］ 上記電圧印加用の水と上記炭素繊維含有物との質量比（電圧印加用の水／炭素繊維含有物）が、４以上である、上記［１］〜［４］のいずれかに記載の炭素繊維含有物の粉砕方法。
［６］ 上記炭素繊維含有物が、炭素繊維強化樹脂複合材料である、上記［１］〜［５］のいずれかに記載の炭素繊維含有物の粉砕方法。

本発明の方法によれば、粉砕機を用いて物理的に粉砕するものではないので、粉砕機の摩耗に対処するための維持費を必要とせず、設備の維持費が安価となる。
また、粉砕を行う際に、炭素繊維のフライや粉塵が飛散しないため、集塵機において電気障害を引き起こすことがない。
さらに、本発明の方法によれば、得られる粉砕物の大きさ（平均粒径）を簡易に制御することができる。

本発明の炭素繊維含有物の粉砕方法は、電圧印加用の水の中に浸漬された炭素繊維含有物に、パルス電圧を印加することによって、上記炭素繊維含有物を粉砕するものである。
本発明の粉砕方法における処理対象物である炭素繊維含有物としては、例えば、炭素繊維複合材料や、炭素繊維単体（炭素繊維のみからなるもの）が挙げられる。
炭素繊維複合材料としては、炭素繊維と炭素（例えば、コークス）を複合してなる炭素繊維強化炭素複合材料（Carbon Fiber Reinforced Carbon Composite）、炭素繊維と樹脂を複合してなる炭素繊維強化樹脂複合材料（ＣＦＲＰ；Carbon Fiber Reinforced Plastics）、炭素繊維とセメントを複合してなる炭素繊維強化セメント（ＣＦＲＣ；Carbon Fiber Reinforced Cement）等が挙げられる。
中でも、本発明の粉砕方法は、高強度の材料を簡易に粉砕することができるという観点から、炭素繊維強化樹脂複合材料（以下、「ＣＦＲＰ」ともいう。）に好適である。
なお、本明細書中、「炭素繊維強化樹脂複合材料」の語は、母材として熱硬化性樹脂を用いたもの、及び、母材として熱可塑性樹脂を用いたものを含む。
本発明の方法の対象物が、炭素繊維強化樹脂複合材料である場合、本発明の方法において、粉砕と同時に、炭素繊維強化樹脂複合材料を炭素繊維と炭素繊維以外の材料に分解することができる。

炭素繊維強化樹脂複合材料（ＣＦＲＰ）は、予め加熱処理したものを用いてもよい。
ＣＦＲＰを予め加熱処理することによって、本発明の粉砕方法を行う際に、ＣＦＲＰの粉砕を促進することができる。また、ＣＦＲＰを予め加熱処理して、樹脂成分を分解または炭化させることによって、本発明の粉砕方法を行った後に、炭素繊維を効率的に回収することができる。
加熱処理における加熱温度は、好ましくは３００〜７００℃、より好ましくは４００〜６００℃である。加熱時間は、通常０．５〜３時間、好ましくは０．５〜２時間である。

本発明の粉砕方法で用いられる電圧印加用の水は、特に限定されるものではなく、上水道水や純水を用いることができる。
電圧印加用の水の導電率は、好ましくは１０，０００ｍＳ／ｍ以下、より好ましくは０．１〜８，０００ｍＳ／ｍ、特に好ましくは１０〜１，０００ｍＳ／ｍである。上記導電率が１０，０００ｍＳ／ｍ以下であると、電圧印加用の水の中に浸漬された炭素繊維含有物が通電されやすくなるため、より少ない電圧や印加回数で、炭素繊維含有物を粉砕することができる。また、得られる粉砕物の平均粒径を、例えば１０ｍｍ以下に小さくすることができる。上記導電率が１０ｍＳ／ｍ以上であると、このような電圧印加用の水を準備することが容易となる。なお、水道水の導電率は、１０〜２０ｍＳ／ｍ程度である。純水の導電率は、０．１〜０．２ｍＳ／ｍ程度である。
また、電圧印加用の水の導電率を調整することによって、得られる粉砕物の平均粒径を調整することができる。具体的には、１０〜２０ｍＳ／ｍ程度の水（例えば、水道水）に、導電率を高めるための水溶性塩類等を加えた場合、該導電率が大きいほど、得られる粉砕物の平均粒径が大きくなる傾向がある。
なお、上述の電圧印加用の水の導電率は、水の温度が２５℃である場合の数値である。
上記電圧印加用の水の導電率は、例えば、上水道水や工業用水等の水（水以外の不純物を含む。）をイオン交換樹脂に通すなどの方法による導電率の低下や、塩化カリウム、塩化ナトリウム等の水溶性塩類の添加による導電率の増大によって調整することができる。

本発明の粉砕方法は、上述した電圧印加用の水に、炭素繊維含有物の全体を浸漬して、パルス電圧を炭素繊維含有物に印加することで行われる。
炭素繊維含有物の全体が浸漬していなければ、パルス電圧が十分に炭素繊維含有物に印加されず、粉砕が不十分となる。
上記電圧印加用の水と上記炭素繊維含有物との質量比（電圧印加用の水／炭素繊維含有物）は、好ましくは４以上、より好ましくは１０以上、特に好ましくは３０以上である。
本発明の粉砕方法は、湿式粉砕であることから、炭素繊維のフライや粉塵が発生しない。また、パルス電圧が印加されると、炭素繊維含有物が粉砕されると同時に、炭素繊維含有物中の炭素繊維と炭素繊維以外の物質（例えば、ＣＦＲＰにおける樹脂）の境界面に電気が流れることで、炭素繊維含有物が炭素繊維と炭素繊維以外の物質に分離される。

本発明の粉砕方法で得られる粉砕物の平均粒径は、粉砕物を再利用する際の扱いやすさの観点からは、好ましくは１０ｍｍ以下、より好ましくは０．５〜７ｍｍ、さらに好ましくは１〜６ｍｍ、特に好ましくは２〜４ｍｍであり、また、粉砕後に粉砕物から炭素繊維のみを分離して回収することの容易性の観点からは、好ましくは３ｍｍ以下、より好ましくは２ｍｍ以下、特に好ましくは１．５ｍｍ以下である。
なお、本明細書中、「平均粒径」とは、５０％質量累積粒径を意味する。
上記粉砕物の平均粒径は、電圧印加用の水の導電率や印加回数を変えることによって調整することができる。例えば、本発明の粉砕方法によって、炭素繊維強化樹脂複合材料（ＣＦＲＰ）を粉砕した場合、上記導電率が２０ｍＳ／ｍ未満であれば、得られた粉砕物の平均粒径は、１ｍｍ程度となる。上記導電率が２０ｍＳ／ｍ以上であれば、導電率が大きいほど、得られる粉砕物の平均粒径も大きくなる。例えば、上記導電率を２０ｍＳ／ｍから１，０００ｍＳ／ｍまで増大させると、得られる粉砕物の平均粒径も１ｍｍから６ｍｍに増大する。また、上記導電率を１，０００ｍＳ／ｍから１０，０００ｍＳ／ｍまで増大させると、得られる粉砕物の平均粒径も６ｍｍから１０ｍｍ程度に増大する。
また、印加回数を増やすことによって、得られる粉砕物の平均粒径を小さくすることができる。

本発明の粉砕方法におけるパルス電圧の電圧は、好ましくは５０〜３００ｋＶ、より好ましくは、１００〜２００ｋＶである。
上記電圧が５０ｋＶ以上であれば、炭素繊維含有物を十分に粉砕することができ、また、少ない印加回数で粉砕することができる。上記電圧が３００ｋＶ以下であれば、このような電圧を与える装置の入手が容易であり、粉砕に要するコストを低く抑えることができる。
パルス電圧の印加回数は、好ましくは５０〜１，０００回、より好ましくは２００〜６００回である。
上記印加回数が２００回以上であれば、炭素繊維含有物を十分に粉砕することができる。上記印加回数が１，０００回以下であると、粉砕にかかるコストを低くすることができる。
本発明において、パルス電圧や印加回数の大きさを調整することによって、得られる粉砕物中の炭素繊維の長さを調整することができる。具体的には、パルス電圧が高いほど、得られる粉砕物中の炭素繊維の長さが短くなる。また、印加回数が多いほど、得られる粉砕物中の炭素繊維の長さが短くなる。例えば、パルス電圧が１６０ｋＶである場合、印加回数が５００回以上であると、炭素繊維の長さは７００μｍ以下になる。
パルス立ち上がり時間は、電圧印加用の水の中に浸漬された炭素繊維含有物が通電されやすくなる観点から、好ましくは５００ナノ秒間未満である。

本発明の粉砕方法で得られた粉砕物は、炭素繊維からなる部分と、炭素繊維以外の物質（例えば、ＣＦＲＰにおける樹脂）からなる部分を含む。炭素繊維からなる部分と、炭素繊維以外の物質からなる部分は、粉砕後に絡み合った状態であるものの、静電選別、比重選別などの物理的な選別によって、容易に分離することができる。
例えば、炭素繊維複合材料であるＣＦＲＰは、炭素繊維と、母材である樹脂が不可分に一体化してなるものであるが、本発明の方法による粉砕の後に、炭素繊維からなる部分と、樹脂からなる部分を分離することによって、再利用することができる。回収された樹脂は、炭素繊維を含まないため、燃料として使用しても、炭素繊維のフライの飛散等の問題を生じさせない。

［実施例１］
炭素繊維が６７質量％であり、エポキシ樹脂の割合が３３質量％である、炭素繊維強化樹脂複合材料（ＣＦＲＰ）の廃材（４０×４０×５ｍｍ）４０ｇを、電気パルス粉砕装置（ＳＥＬＦＲＡＧ社製、ＳＥＬＦＲＡＧ Ｌａｂ Ｓ２．０）を用いて粉砕した。
粉砕は、ＣＦＲＰの廃材を、表１に示す各導電率を有する電圧印加用の水４，０００ｇの中に、該廃材の全体が浸漬されるように入れて、１６０ｋＶのパルス電圧を５００回印加することによって行った。パルス立ち上がり時間は、３００ナノ秒間であった。
電圧印加用の水としては、純水に塩化ナトリウムを添加して導電率を調整した液温２５℃のものを使用した。また、水とＣＦＲＰの廃材の質量比（水／ＣＦＲＰの廃材）は、１００であった。
得られた粉砕物の平均粒径を表１に示す。
平均粒径は、５０％質量累積粒径であり、具体的には、目開きの異なる複数の種類の篩を、目開きの大きなものから小さなものへと順に用いて、各篩の上に残る粉砕物の質量を測定し、累積の質量が、粉砕物の全質量の５０質量％となったときの篩の目開きの大きさを意味する。
また、導電率が２０ｍＳ／ｍである電圧印加用の水を用いて得られた粉砕物を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて観察したところ、粉砕物中の炭素繊維の長さは、概ね、１００〜６００μｍ程度であった。

Claims (5)

1. 電圧印加用の水の中に浸漬された炭素繊維含有物に、パルス電圧を印加することによって、上記炭素繊維含有物を粉砕する炭素繊維含有物の粉砕方法であって、
   上記パルス電圧の電圧が５０〜３００ｋＶであり、かつ、印加回数が５０〜１，０００回であり、
   上記電圧印加用の水の導電率を調整することによって、上記炭素繊維含有物を粉砕してなる粉砕物の平均粒径を調整することを特徴とする炭素繊維含有物の粉砕方法。
2. 上記電圧印加用の水の導電率が、１０，０００ｍＳ／ｍ以下である、請求項１に記載の炭素繊維含有物の粉砕方法。
3. 上記炭素繊維含有物を粉砕してなる粉砕物の平均粒径が、１０ｍｍ以下である、請求項１または２に記載の炭素繊維含有物の粉砕方法。
4. 上記電圧印加用の水と上記炭素繊維含有物の質量比（電圧印加用の水／炭素繊維含有物）が、４以上である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭素繊維含有物の粉砕方法。
5. 上記炭素繊維含有物が、炭素繊維強化樹脂複合材料である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の炭素繊維含有物の粉砕方法。