JP6494127B2 - 炭素繊維を含有させたペレットのリサイクル製造方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、炭素繊維強化樹脂成形物の廃材から回収されたリサイクル炭素繊維を補強材として含有させたペレットのリサイクル製造方法及び装置に関する。

リサイクル炭素繊維を補強材として含有させた炭素繊維含有ペレットの製造に係る従来技術の例として次の特許文献には、炭素繊維強化樹脂成形物を１００μｍ〜３ｍｍに粉砕し、その粉砕物中の樹脂を過熱水蒸気中で過熱分解して除去することで炭素繊維を得ること、この炭素繊維をマトリックス樹脂に含ませて炭素短繊維強化樹脂組成物とすること等が開示されている。

特開２０１３−０８７２６９号公報

しかしながら前記特許文献では炭素繊維が短繊維であるため、これを含ませた炭素繊維強化樹脂組成物の強度がそれほど高くならないことも考えられる。これに対して本発明は、炭素繊維強化樹脂成形物の廃材から回収されたリサイクル炭素繊維を用いることで炭素繊維含有ペレットを安価に製造することを可能とし、かつそのペレットから成形された成形物の強度が高くなるようにすることを目的としている。

本発明による炭素繊維を含有させたペレットのリサイクル製造方法は、炭素繊維強化樹脂成形物の廃材を用いて製造されるペレットのリサイクル製造方法であって、前記廃材から回収されたリサイクル炭素繊維から残存付着物を除去して炭素繊維塊を形成する工程と、ＬＤ比、溝形状の少なくとも一方が互いに異なり、且つ互いに異なる方向に回転する第１、第２のスクリューが収容された変則二軸式押出装置内に原料ペレットと前記炭素繊維塊との混合物を自動的に引き込ませる工程と、前記変則二軸式押出装置内に引き込ませた混合物を混錬させながら、前記原料ペレットを溶融させて、炭素繊維を一様に含んだ樹脂溶融液を生成する工程と、前記変則二軸式押出装置から前記樹脂溶融液を押出してストランドとして固化させる工程と、前記ストランドを所定長のペレットに切断する工程とを含んでおり、前記変則二軸式押出装置内に収容される前記第１、第２のスクリューのＬＤ比は３０〜６０で互いに異なるＬＤ比としたスクリューが収容されることを特徴とする。

また本発明による炭素繊維を含有させたペレットのリサイクル製造装置は、炭素繊維強化樹脂成形物の廃材を用いてペレットを製造する装置であって、前記廃材から回収されたリサイクル炭素繊維に残存付着物除去処理を施して炭素繊維塊を形成するバッチ式の付着物除去処理装置と、原料供給口が周壁上部に開口しているシリンダーを有し、このシリンダーには、ＬＤ比、溝形状の少なくとも一方が互いに異なり且つ互いに異なる方向に回転する第１、第２のスクリューが収容されており、原料ペレットと前記炭素繊維塊との混合物を前記原料供給口から自動的に引き込ませて、炭素繊維を一様に含んだ樹脂溶融液を生成する構造とした変則二軸式押出装置と、前記変則二軸式押出装置から押し出されて固化したストランドを所定長のペレットに切断する切断装置とを備え、前記変則二軸式押出装置内に収容される前記第１、第２のスクリューのＬＤ比は３０〜６０で互いに異なるＬＤ比としたスクリューが収容されることを特徴とする。

本発明によれば、炭素繊維強化樹脂成形物の廃材から回収されたリサイクル炭素繊維を用いるので、炭素繊維を含有したペレットが安価に製造できる。またこのペレットは、２〜６ミリ程度の炭素繊維を含有しているので、その成形物の強度が高くなる。

ペレットのリサイクル製造装置の基本構成を示すフロー図である。 料供給装置及び変則二軸式押出装置の基本構造を示す縦断面図である。 炭素繊維含有ペレットから成形されたサンプル品の破砕面を示すＳＥＭ画像である。 炭素繊維含有ペレットから成形されたサンプル品の引張強度の試験結果を示すグラフである。 炭素繊維含有ペレットから成形されたサンプル品の引張弾性率の試験結果を示すグラフである。

図１は、ペレットのリサイクル製造装置の基本構成を示すフロー図である。また図２は、原料供給装置及び変則二軸式押出装置の基本構造を示す縦断面図である。

図１に示すリサイクル製造装置１は、炭素強化樹脂成形物から回収されたリサイクル炭素繊維ＣＦＲを補強材として含有させた炭素繊維含有ペレットＰＦＣを製造することを目的とした装置である。

ここにリサイクル炭素繊維ＣＦＲは、例えばプリプレグを成形してなる炭素強化樹脂成形物（例えば航空機部材等）を粉砕して、炭素繊維を固定している樹脂を除去することで回収されたものである。炭素繊維強化樹脂成形物は数センチ程度の破片に破砕されるので、リサイクル炭素繊維ＣＦＲは１〜４センチ程度の長さになると考えられるが、これは一般的なチョップドストランド（数ミリ程度）よりも長く長繊維に属する。リサイクル炭素繊維ＣＦＲはサイジング剤、樹脂、よごれ等の残存付着物が残っており、数千〜数万本のフィラメントがまとまった状態になっている。
なおリサイクル炭素繊維ＣＦＲの回収元となる炭素強化樹脂成形物は、プリプレグ成形物以外に、糸状成形物集合体、例えばクロス状のもの、マット状のものでもよい。要は、炭素長繊維を含んだ樹脂成形物を破砕あるいは切断したものであればよい。

リサイクル製造装置１は基本要素として、残存付着物除去装置１１と、原料供給装置１２と、変則二軸式押出装置１３と、固化装置１４と、牽引装置１５と、切断装置１６とを備えている。

残存付着物剤除去装置１１は、リサイクル炭素繊維ＣＦＲに残存付着物除去処理をバッチ的に施して炭素繊維塊ＣＦＣにする要素である。リサイクル炭素繊維ＣＦＲからサイジング剤が除去されている場合には、炭素繊維塊ＣＦＣは綿状になる傾向がある。残存付着物剤除去装置１１の構成は特に制限されないが、例えば気密容器にリサイクル炭素繊維ＣＦＲを収めて過熱水蒸気あるいはメチル・エチル・ケトン等の有機溶剤に曝すような構成としてもよい。このようにすれば、リサイクル炭素繊維ＣＦＲからサイジング剤を効果的に除去できる。

サイジング剤は、例えばエポキシ・ビニルエステル樹脂、エポキシ・ポリエステル樹脂等であって、炭素繊維の表面に収束潤滑皮膜を形成している。サイジング剤が除去されると、リサイクル炭素繊維ＣＦＲは、収束性を失って綿状になる。なおサイジング剤を除去したあと、原料ペレットＰＭの樹脂との接着性に優れる他のサイジング剤の皮膜を再形成してもよい。

そうして得られた炭素繊維塊ＣＦＣは、原料ペレットＰＭと混合させることで、炭素繊維含有ペレットＰＦＣの原料Ｍになる。原料ペレットＰＭは、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ボリ塩化ビニル、ポリウレタン、ＡＢＳ、アクリル樹脂等の熱可塑性樹脂のペレットでもよいし、例えばフェノール、エポキシ、ポリウレタン等の熱硬化性樹脂ペレットでもよい。また炭素繊維は樹脂に対して５〜５０重量パーセント程度にするとよい。

原料供給装置１２は、原料ペレットＰＭと炭素繊維塊ＣＦＣとの混合物を押出装置１３に自動的に引き込ませるための要素である。原料供給装置１２の構造は特に制限されない。例えば簡単なホッパー装置を用いてもよく、そうした場合、ホッパーの原料放出口は、炭素繊維塊ＣＦＣの塊が詰まらないように５〜１０センチ程の口径を持たせるとよい。

押出装置１３は、原料供給口１３ｃが周壁上部に開口しているシリンダー１３ａを有しており、このシリンダー１３ａには、全長、溝形状の少なくとも一方が互いに異なる第１、第２のスクリュー１３ｄ、１３ｅが収容されている。原料供給口１３ｃの上方には原料供給装置１２が配置されている。シリンダー１３ａの先端部には、ストランド放出口１３ｂが形成されたダイ１３ｆが装着され、中間部の周壁上部にはベント口１３ｇが形成されている。ベント口１３ｇは省略してもよい。シリンダー１３ａの後端部は開放されており、その後端部から突出した第１、第２のスクリュー１３ｄ、１３ｅの基部がモーター装置１３ｈに接続されている。シリンダー１３ａにはヒーター１３ｉが巻設されている。

第１のスクリュー１３ｄは主スクリューである。第１のスクリュー１３ｄは、各部の溝形状を変化させることで、基部から先端部に向けて、供給部１３ｄ１、圧縮部１３ｄ２、混合部（ダルメージ）１３ｄ３、減圧部１３ｄ４、第２圧縮部１３ｄ５が形成されている。第１のスクリュー１３ｄのＬＤ比は３０〜６０程度にするとよい。供給部１３ｄ１は、原料供給口１３ｃに対応した位置にあり、深い溝によって大量の材料を受け入れるようになっている。圧縮部１３ｄ２は溝を徐々に浅くすることで、原料ペレットＰＭが溶けた樹脂液を圧縮するようになっている。圧縮部１３ｄ２で樹脂液から分離したガスは供給部１３ｄ１側に逃げていく。混合部１３ｄ３は樹脂を効果的に混合できれば形状は特に制限されない。例えば混合部１３ｄ３は逆方向の溝としてもよい。減圧部１３ｄ４はベント口１３ｇに対応した位置にあり、溝を深くすることで樹脂液を減圧して、ベント口１３ｇからの吹出しを防止するようになっている。第２圧縮部１３ｄ５は、溝を徐々に浅くすることで、減圧部１３ｄ４で減圧された樹脂液を再び圧縮するようになっている。ベント口１３ｇを設けない構成では、減圧部１３ｄ４、第２圧縮部１３ｄ５は不要である。

第２のスクリュー１３ｅは副スクリューであって、シリンダー１３ａへの原料の引込みを効果的に行うことを目的としている。第２のスクリュー１３ｅのＬＤ比、溝形状、回転方向は第１のスクリュー１３ｄと異なっていてもよい。リサイクル炭素繊維ＣＦＲから残存付着物を除去してなる炭素繊維塊ＣＦＣは嵩がありかつ軽いため、単一のスクリューを用いたシリンダー１３ａに自動的に引き込ませることは困難であった。しかしながら本発明が提案するように、第１、第２の二軸式とし、第２のスクリュー１３ｅの全長、溝形状、回転方向を適切に設定すれば、第１、第２のスクリュー１３ｄ、１３ｅの連携作用によって炭素繊維塊ＣＦＣをシリンダー１３ａに自動的に引き込むようになる。

押出装置１３のヒーター１３ｉを作用させ、かつ第１、第２のスクリュー１３ｄ、１３ｅを回転させれば、原料供給装置１２から供給された原料Ｍはシリンダー１３ａに自動的に引き込まれ、原料ペレットＰＭは液化されて樹脂液になり炭素繊維塊ＣＦＣは切断されて樹脂液に分散される。炭素繊維塊ＣＦＣは１〜４センチ程度の長さの長繊維を含んでいたのであるが、その繊維は第１、第２のスクリュー１３ｄ、１３ｅによって切断されて例えば最大４ミリ程度になる。この繊維長は、第１、第２のスクリュー１３ｄ、１３ｅのＬＤ比、溝形状等によって調節可能であり、最大４〜１２ミリ程度にすることも可能である。そのような切断された炭素繊維が一様に分散された樹脂液はダイ１３ｆからストランドＳになって押し出される。

固化装置１４は、押出装置１３から押し出されたストランドＳを固化させる要素である。ストランドＳの樹脂が熱可塑性であれば冷却することで、その樹脂を固化する。この場合、固化装置１４は例えば冷却液を貯める冷却槽として構成し、ストランドＳがその冷却槽を通じるようにしてもよい。一方、ストランドＳの樹脂が熱硬化性であれば加熱することで、その樹脂を固化する。この場合、固化装置１４は赤外線ヒーター等を用いて構成してもよい。

牽引装置１５は、押出装置１３から押し出されたストランドＳを牽引する要素である。牽引装置１５の上流側に固化装置１４が配置されているため、牽引装置１５の牽引するストランドＳはすでに固化した状態になっている。そのため牽引装置１５は例えばグリップローラー等を用いて簡単に構成できる。

なお押出装置１３がストランドＳを押し出す速度と、牽引装置１５がストランドＳを牽引する速度との差から固化前のストランドＳに張力を作用させて、ストランドＳの伸び、太さを調節できる。なおストランドＳに作用する張力はテンションローラー１７による調節も可能である。

切断装置１６は、押出装置１３から排出されたストランドＳを所定長の炭素繊維含有ペレットＰＦＣに自動的に切断する要素である。押出装置１３はストランドＳの先端からの長さを検知するセンサーと、ストランドＳの先端部を切断するカッターとを備えた構成としてもよい。

リサイクル製造装置１の構成及び作用は前記の通りであり、リサイクル炭素繊維ＣＦＲを補強材とすることで、炭素繊維を補強材として含有させた炭素繊維含有ペレットＰＦＣを安価に製造することができる。またリサイクル製造装置１によって製造された炭素繊維含有ペレットＰＦＣは、そこに含まれている炭素繊維が４ミリ、あるいは４〜１２ミリ程の長繊維であること、更に炭素繊維から残存付着物が除去されていること等から、その成形物も以下に説明するように優れた特徴、性質を示す。

図３は、炭素繊維含有ペレットから成形されたサンプル品の破砕面を示すＳＥＭ画像である。この画像Ｇ１では、樹脂の破断面から複数の炭素繊維ＦＣが突出しているが、破断面には炭素繊維ＦＣが抜けた穴Ｈもいくつか存在している。突出している炭素繊維ＦＣと樹脂の間に隙間はなく密着しており、また炭素繊維ＦＣが抜けた穴Ｈはきれいな円穴であることから、炭素繊維ＦＣと樹脂との接着状態は非常に良好であることがわかる。これはリサイクル炭素繊維から残存付着物を除去した効果と考えられる。

図４は、炭素繊維含有ペレットから成形されたサンプル品の引張強度の試験結果を示すグラフである。引張強度は引張荷重に対する壊れにくさを示す物理量である。グラフＧ２において、左側のバーＢ１は新品の炭素繊維を含ませたペレットから成形されたサンプル品の試験結果、中央のバーＢ２は残存付着物を除去していないリサイクル炭素繊維を含ませたペレットから成形されたサンプル品の試験結果、右側のバーＢ３は残存付着物を除去したリサイクル炭素繊維を含ませたペレットから成形されたサンプル品の試験結果を示している。また各バーの上部にある「Ｉ」マークは試験結果の分散度合いを示している。
このグラフＧ２から、引張強度において、残存付着物を除去したリサイクル炭素繊維を含ませたペレットから成形されたサンプル品は、残存付着物を除去していないリサイクル炭素繊維を含ませたペレットから成形されたサンプル品よりも優れ、新品の炭素繊維を含ませたペレットから成形されたサンプル品と略同等であることがわかる。また残存付着物を除去したリサイクル炭素繊維を含ませたペレットから成形されたサンプル品は、引張強度のバラつきが小さいこともわかる。

図５は、炭素繊維含有ペレットから成形されたサンプル品の引張弾性率の試験結果を示すグラフである。引張弾性率は引張荷重に対する変形のしにくさを示す物理量である。グラフＧ３において、左側のバーＢ４は新品の炭素繊維を含ませたペレットから成形されたサンプル品の試験結果、中央のバーＢ５は残存付着物を除去していないリサイクル炭素繊維を含ませたペレットから成形されたサンプル品の試験結果、右側のバーＢ６は残存付着物を除去したリサイクル炭素繊維を含ませたペレットから成形されたサンプル品の試験結果を示している。
このグラフＧ３から、引張弾性率において、残存付着物を除去したリサイクル炭素繊維ＣＦＲを含ませたペレットから成形されたサンプル品は、残存付着物を除去していないリサイクル炭素繊維を含ませたペレットから成形されたサンプル品よりも優れ、新品の炭素繊維を含ませたペレットから成形されたサンプル品にやや劣ることがわかる。

１ 炭素繊維含有リサイクル製造装置
１１ 残存付着物除去装置
１２ 原料供給装置
１３ 変則二軸式押出装置
１３ａ シリンダー
１３ｃ 原料供給口
１３ｄ 第１のスクリュー
１３ｅ 第２のスクリュー
１６ 切断装置
ＣＦＣ 炭素繊維塊
ＣＦＲ リサイクル炭素繊維
ＰＦＣ 炭素繊維含有ペレット
ＰＭ 原料ペレット
Ｓ ストランド

Claims (10)

1. 炭素繊維強化樹脂成形物の廃材を用いて製造される、炭素繊維を含有させたペレットのリサイクル製造方法であって、
   前記廃材から回収されたリサイクル炭素繊維から残存付着物を除去して炭素繊維塊を形成する工程と、
   ＬＤ比、溝形状の少なくとも一方が互いに異なり、且つ互いに異なる方向に回転する第１、第２のスクリューが収容された変則二軸式押出装置内に原料ペレットと前記炭素繊維塊との混合物を自動的に引き込ませる工程と、
   前記変則二軸式押出装置内に引き込ませた混合物を混錬させながら、前記原料ペレットを溶融させて、炭素繊維を一様に含んだ樹脂溶融液を生成する工程と、
   前記変則二軸式押出装置から前記樹脂溶融液を押出してストランドとして固化させる工程と、
   前記ストランドを所定長のペレットに切断する工程とを含んでおり、
   前記変則二軸式押出装置内に収容される前記第１、第２のスクリューのＬＤ比は３０〜６０で互いに異なるＬＤ比としたスクリューが収容されることを特徴とする炭素繊維を含有させたペレットのリサイクル製造方法。
2. 前記リサイクル炭素繊維は２センチ以上の長繊維を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維を含有させたペレットのリサイクル製造方法。
3. 前記炭素繊維強化樹脂成形物はプリプレグ成形物及び／または糸状成形物集合体であることを特徴とする請求項１又は２に記載の炭素繊維を含有させたペレットのリサイクル製造方法。
4. 前記炭素繊維含有ペレットは、２ミリ以上の炭素長繊維を含んでいることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の炭素繊維を含有させたペレットのリサイクル製造方法。
5. 前記原料ペレットは、熱硬化性又は熱可塑性のペレットであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の炭素繊維を含有させたペレットのリサイクル製造方法。
6. 炭素繊維強化樹脂成形物の廃材を用いて炭素繊維を含有させたペレットを製造する装置であって、
   前記廃材から回収されたリサイクル炭素繊維に残存付着物除去処理を施して炭素繊維塊を形成するバッチ式の付着物除去処理装置と、
   原料供給口が周壁上部に開口しているシリンダーを有し、このシリンダーには、ＬＤ比、溝形状の少なくとも一方が互いに異なり且つ互いに異なる方向に回転する第１、第２のスクリューが収容されており、原料ペレットと前記炭素繊維塊との混合物を前記原料供給口から自動的に引き込ませて、炭素繊維を一様に含んだ樹脂溶融液を生成する構造とした変則二軸式押出装置と、
   前記変則二軸式押出装置から押し出されて固化したストランドを所定長のペレットに切断する切断装置とを備え、
   前記変則二軸式押出装置内に収容される前記第１、第２のスクリューのＬＤ比は３０〜６０で互いに異なるＬＤ比としたスクリューが収容されることを特徴とする炭素繊維を含有させたペレットのリサイクル製造装置。
7. 前記リサイクル炭素繊維は２センチ以上の長繊維を含んでいることを特徴とする請求項６に記載の炭素繊維を含有させたペレットのリサイクル製造装置。
8. 前記炭素繊維強化樹脂成形物はプリプレグ成形物及び／または糸状成形物集合体であることを特徴とする請求項６又は７に記載の炭素繊維を含有させたペレットのリサイクル製造装置。
9. 前記炭素繊維含有ペレットは、２ミリ以上の炭素長繊維を含んでいることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか一項に記載の炭素繊維を含有させたペレットのリサイクル製造装置。
10. 前記原料ペレットは、熱硬化性又は熱可塑性のペレットであることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか一項に記載の炭素繊維を含有させたペレットのリサイクル製造装置。
    

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