JP6773395B2 - 補強材及び母材を有する複合材料のパルス電力による再生利用ための装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して補強材／母材を基材とする複合材料の再生利用に関する。

具体的には、本発明は、複合材を通して強いパルス電流を導入することによる補強材／母材再生利用の装置及び方法を提案し、炭素繊維を基材とする複合材料の再生利用において有利に使用されることができる。

炭素繊維は、特に強度、ヤング率及び密度に関して、特に有益な機械的特性を有することが知られている。これにより、炭素繊維は、航空分野若しくは関連する分野（例えば大径かつ低重量の風力タービン翼の製作）において、又はスポーツ用品の製造のために、益々使用されている。

世界的な炭素繊維生産能力は、２０１２年には１１１７８５トンであった。それは、２０１６年には１５６８４５トンに、２０２０年には１６９３００トンに達するであろう。実際の生産はこれらの名目上の能力の一部分のみであり、２０１２年には６０％、２０１６年には６８％、２０２０年には７２％と見積もられる。その一方で、需要は２０１２年には４７２２０トンであった。それは、２０１６年には７４７４０トンに、２０２０年には１０２４６０トンに達するはずである。この過剰生産能力の状況は、競争価格を維持することを助け得る。炭素繊維複合材の母材は、７２％エポキシである（情報源：PlusComposites Consortium）。
２０１２年には、需要の１６％は航空学、６２％は工業（industry）、残りはその他の部門（消費者）に由来する。

その結果として、炭素繊維再生利用は、今大きな挑戦となっている。

複合材料は、強度、軽さ、断熱、新たな化学的又は機械的な特性等、その構成要素がそれら自体では有しない利点を有する。

この性能はもちろん、基材（補強材、母材及びそれらの適合性（compatibility））の特質（nature）に起因する。この生産品は、イノベーションに適用可能であり、新たな市場の創造を可能にする。

このように、複合材料は、補強材及び母材を有する。

補強材は、複合材に機械的な強度を与え、炭素繊維、ガラス繊維、ケブラー、アルミニウム又はチタニウムであってもよい。

複合材の製作において概して使用される母材はエポキシ樹脂であり、炭素、ポリエステル、ビニルエステル又はポリアミドもまた概して使用される。熱硬化性又は熱可塑性の母材は、補強材への力の伝達を可能にする。補強材はより固く、強い。

航空学においては、同様に高性能の母材と共に、高性能の補強材が使用される。

しかしながら、今まで知られている複合材料の再生利用／再使用の主要な技術は、完全に満足できるものでは無かった。

具体的には、焼却（incineration）技術は材料の回収を可能にせず、それらは有害な気体を発生させ、最善でもエネルギーの再利用を可能にする。

超臨界条件での熱分解（pyrolysis）（制御された温度及び圧力での廃棄物の熱処理）及び加溶媒分解（solvolysis）（水、メタノール等）の技術は、樹脂を分解すること又はそれらを繊維から分離することを可能にする。とはいえ、それらは依然として特にエネルギーを必要（energy−hungry）とするままである。加えて、繊維は、５００°Ｃから表面が分解し、それらの機械的特性はそれにより低下する。

出願人は、（特に彼女の特許ＦＲ２９４２１４９において）様々な種類の複合材料ために及び特に炭素繊維のために使用され得る再生利用方法を既に提案している。この方法は、いくつかの連続的な処理段階を用いる：
−機械的な衝撃波の発生を伴う間接的効果の段階、
−電気アークを伴い、再利用されるべき材料が位置する溶液層を横断する電磁パルスを作り出す直接的効果の段階、及び最後に
−マイクロ波乾燥の段階。

仏国特許発明第２９４２１４９号明細書

本発明の全体的な目的は、簡素で、信頼性が高く、汚染が少なく、低いエネルギー消費を伴う、補強材（reinforcement）／母材（matrix）の型の複合材料（具体的には、炭素繊維を含むが、これに限定されない）の再使用及び処理の技術を提案することである。

この目的のために、本発明は再生利用装置を提案し、当該装置は、二つの金属レールであり、該二つの金属レールの間に再生利用されるべき複合材料が伸ばされるように意図された、二つの金属レール、及び、電流発生器であり、該電流発生器の端子は二つの金属レールに接続されるか又は接続されるように意図される、電流発生器、を有する。

上記のレールはまた、処理されるべき複合材料が上記のレール上に配列される場合に、短絡した電極を形成する。

発生器は、これらの二つのレールの間にメガワット（ＭＷ）のオーダー又はメガワットよりも大きな電力の、少なくとも一つの電流パルスを出力するために適しており、該電流パルスは、それらの母材からの補強材の分離を可能にする。

本発明は、上述の装置を使用する再生利用方法を更に提案する。本方法は、
ｉ ある量の補強材／母材の型の再生利用されるべき複合材料を、上記の装置の二つのレールの間に配置するステップ、及び
ｉｉ 発生器が、これらの二つのレールの間にメガワットのオーダー又はメガワットよりも大きな電力の、少なくとも一つの電流パルスを出力するように、装置の発生器を制御するステップであり、該電流パルスは、それらの母材からの補強材の分離を可能にする、ステップ、
を含む。

本発明の他の特徴、目標及び利点は、以下の詳細な説明を読むことによって及び非制限的な実施例として与えられる添付の図面を参照することによって、より明らかになるであろう。
本発明の一つの可能な実施形態による、装置の一つの可能性な実施形態の模式的な表示である。 図１の装置の電極を形成するレール上の炭素繊維の一つの配列を示す、断面図である。 図１の装置によって加えられる電圧パルスの一つの実施例を示す。 本発明の方法のための一つの可能な実行の様々なステップを示す。 再生利用されるべき繊維を連続的に処理することを可能にする、機械化システムの一つの実施例を示す。 図５のシステムの動作の様々なステップ、を示す。 図５のシステムの動作の様々なステップ、を示す。 図５のシステムの動作の様々なステップ、を示す。

図１に示される再使用装置（re−use device）は、二つの電極を形成する二つの金属レール１及び２、及びこれら二つのレール１及び２に高電力パルスを発生させるように意図される電流発生器３を有する。

二つのレール１及び２は、互いにある特定の距離で延びる。それらは、再生利用されるべき補強材／母材の型の複合材料によって短絡されるように意図される。その複合材料は、例えば炭素繊維５である。

上記のレール１及び２は、直線的且つ平行に延びてもよい。それらはまた、他の形状で延びてもよく、例えば、それらは、異なる長さの再生利用されるべき繊維／材料を受けるために、異なる間隔の異なる領域を有してもよい。

装置を安全にするために、レール１とレール２との間にアレスター（arrester）４が設けられてもよい。

二つの電極１及び２の間の間隔は、数ｃｍから約２ｍまで変化してもよく、複合材料５は、これらの電極の間で如何なる方向にも方向付けられることができる。読者が理解したであろうように、繊維を通過するパルス電流が大きいほど、処理され得るファイバー（より一般的には複合材料）の長さは大きい。

外部の操縦手段が設けられ、再生利用されるべき材料５をレール１及びレール２上に、後者の上でのそれらの如何なる方向にでも配置することを可能にする。

非常に高い電流の放電を生み出すために、発生器３は、高電圧キャパシタを含み、それが高い供給電力を要求することなく電気エネルギーを蓄積することを可能にする。このように蓄積されたエネルギーは、急激に切り替わるシステムによって出力される。

電流発生器３は、陽極性又は陰極性の、四角形状又は図３に代表される型の減衰する正弦波形状の、電流パルスを発生させる。

これらのパルスは、メガワットのオーダーの（in the order of MW）電力であるか又は更にかなり高い電力（１０^６Ｗと１０^１４Ｗとの間）である。

それらは、例えば２０ｋＶから２００ｋＶの範囲の、電極１及び電極２の間の最大電圧に対応する。

パルスの平均持続時間は、およそ５０μｓである。

放電周波数（分離現象への大きな影響がない推測）は、１５ｋＨｚと３００ｋＨｚとの間である。

レール１とレール２との間の電流は、発生器の構成に従い、１０ｋＡから１００ｋＡの間の範囲である。
さらに、電極１及び電極２の上に配列され、同時に処理される複合材料５の量は、その処理が可能な限り効率的であることを可能にするように適合される。この量及び再生利用されるべき材料を通過する電流は、大きく依存している。複合材料の場合、例えば、繊維５内の電流密度は、単一の放電によってそれらの樹脂から繊維を分離するために、１０^４Ａ／ｃｍ^２と同程度又は１０^４Ａ／ｃｍ^２よりも大きくなければならない。電流密度が不十分な場合は、数回の放電が要求される。

電流は、表皮効果に起因して、外縁の周りを流れる傾向がある。しかしながら、電流が高くなり過ぎる場合には、繊維の内側を流れる電流の量が増大する。実験において、繊維の中心における電流がある特定の値を超える場合に繊維／樹脂の分離が観察された。パルス電流はそのとき繊維の全ての束（strands）を通過する。

実験的に得られる繊維／樹脂の分離の結果を、Quickfield（商標）ソフトウェアプログラムを使ったシミュレーションによって算出される繊維の内側の電流密度と交差させることによって、以下のエネルギーの比が観察される。

繊維の同一の断面に関して、放電のピーク電流が大きいほど、結果が良好である。その上に、電流密度閾値が存在し、電流密度閾値以下では分離現象がもはや生じないか又は十分に得られない（この場合では、炭素繊維に関して３００Ａ／ｍｍ^２）。

分離現象は、処理されるべき繊維の断面積に従って（according to）起こり、その結果、分離のために要求される放電の回数は、処理されるべき繊維の長さに比例して増加する。

上記の表において、繊維の断面を通って流れる電流密度Ｊｍａｘは、以下の式（数式１）を使用して算出される。

したがって、得られるＪｍａｘ値は、繊維／樹脂の分離の容易さを推定すること及び繊維の所与の断面積の処理のために要求されるパルス電流がどれほどであるかを予想することを可能にする。

ある同一の量の処理される繊維について、長さとの関係で断面積が小さい場合にエネルギーバランスがより良好であることが留意される。

線維が圧縮された場合、すなわち幅が高さに近い（正方形の断面の繊維）場合に分離が改善されることも、実験において理解される。

繊維の束を通過する電流は、その結果炭素繊維から樹脂を抜き出す（extract）ことを可能にする。繊維の束は電極１及び電極２の上に捕捉され、一方で樹脂自体は解放されて、回収されることができる。

絶縁プラスチック材料の保護容器６の提供も行われる。

この容器６は、いくつかの機能を有する：
−装置内部で加えられる高い電圧を前提として、使用者を保護すること；それ故に、容器６は操作者のための本質的な安全部品である。
−容器６の壁にわたって樹脂が再び堆積することが認められるにつれて、繊維の堆積物を集めること。
−処理中にニュートン流体又は非ニュートン流体を使用すること。例えば液体又は中性気体内で動作を実施することが可能である。

図４は、これまで記述された種類の装置を用いる再生利用処理の様々なステップを示す。

図４における最初のステップ（ステップＡ）において、操作者は、発生器３の二つの端子を二つの電極１及び２に接続する。

この目的のために設けられる操縦手段を使用して、彼又は彼女は、炭素繊維５を電極１と電極２との間に、炭素繊維５が後者（電極１及び電極２）の間に短絡（short circuit）を作るように、繊維によって取られる方向に関わらず、配置する（ステップＢ）。ひとたび繊維５が適切な位置に配置されると、操作者は、発生器３のスイッチを入れる。発生器３は、強い電流パルスを充電し且つ出力する。電流パルスは、炭素繊維からの樹脂の分離を可能にすることができる（ステップＣ）。
最後に、最終ステップにおいて、方法は樹脂及び繊維の回収（recovery）を含む（ステップＤ）。これを行うために、操作者は、電気の流れの通過の後に容器６にわたってまき散らされた樹脂を回収し、電極１及び電極２の上に捕捉されたままの繊維を回収する。

図５及び図６ａ乃至６Ｃは、機械化システムの一つの実施例を示す。その機械化システムは、炭素繊維５又はより一般的に補強材及び母材を有する複合材料のウェブ（web）Ｔのロールを処理するために、前の図面の参照の参照と共に想起される種類の装置において使用され得る。
本システムは、電極を形成するように意図された二つのレール１及び２を包含する。二つのレール１及び２の上に、再生利用されるべき材料が展開される（unrolled）。レール１及びレール２に加えて、電気的アーク処理の間ウェブが二つのレールの間に伸ばされた（stretched）状態に保つために、二つの締め具ブロック７及び８がこれら二つのレール１及び２の近くに設けられる。これら二つの締め具ブロック７及び８は具体的には支持構造９に取り付けられ、支持構造９自体はジャッキ１０に取り付けられる。このジャッキ１０は、締め具ブロック７及び８をレール１及び２に近づけることによってウェブを締め付けるように、又は反対に、上記の締め具ブロック７及び８をレール１及び２から離すことによってウェブを緩めるように制御されることができる。

システムはまた、レール１及びレール２の端部に供給ロール１１及びギア付きモータ１２を有する。供給ロール１１は、二つの垂直ガイド１３の間に取り付けられる。二つの垂直ガイド１３は、上方位置と下方位置との間で、それ自体の重さの下で供給ロール１１が展開することにより、締め具ブロック７及び８が持ち上げられた場合に、ウェブＴを駆動することを可能にする。その一方で、ギア付きモータ１２はロール１４を駆動する。ロール１４上に、ウェブＴはそれ自体を巻き戻し、ロール１４は、そのときロール１１の巻き上げの効果を有する。

本システムの動作は、以下の通りである。

ウェブＴのロールが充填され、レール１及びレール２、供給ロール１１及びロール１４の上を通され、その後に伸ばされる。ジャッキ１０は、レール１とレール２との間でウェブＴを締め付けるために、構造１１を下方に運び、締め具７及び８をレール１及び２に近づける（図６Ａ）。

ウェブＴを再生利用するために、一つ以上の電流パルスが、その後二つの電極１及び２の間に発生させられる。

処理の後に、締め具７及び８は、再び持ち上げられる。ロール１１はその後展開し、それ自体の重さによってウェブＴを駆動する。上流のリールが空になるが、良好なウェブ張力を達成するためにブレーキロール１７が設けられる。

センサ１５によって下方位置にあることが検出された場合、ジャッキ１０は構造１１を下方に運び、締め具７及び８をレール１及び２に再び近づける。ギア付きモータ１２は、その後ウェブＴをロール１４に巻き付けるように運転される。それは、ロール１１が上方位置に戻されると同時にセンサ１６が活性化された場合に停止する。

Claims (12)

1. 補強材及び母材の型の複合材料を再生利用するための装置であって、
   当該装置は、
   二つの金属レールであり、該二つの金属レールの間に再生利用されるべき材料が伸ばされる、二つの金属レール、及び
   電流発生器であり、該電流発生器の端子は前記二つの金属レールに接続される、電流発生器、
   を有し、
   前記レールは、処理されるべき前記材料が前記レール上に配列される場合に、短絡した電極を形成し、
   前記電流発生器は、前記二つの金属レールの間にメガワットのオーダー又はメガワットよりも大きな電力の、少なくとも一つの電流パルスを出力し、該電流パルスは、前記母材から前記補強材を分離させる、
   装置。
2. 前記レールは、平行であるか且つ／或いは異なる長さの再生利用されるべき材料を受けるために、異なる間隔の領域を有する、請求項１に記載の装置。
3. 前記二つの金属レールの間の間隔は、１０ｃｍと２ｍとの間である、請求項１に記載の装置。
4. 前記電流発生器は、１０ｋＡから１００ｋＡの電流パルスを発生させる、請求項１に記載の装置。
5. 前記電流発生器は、前記レールの間に５０μｓの平均持続時間のパルスを発生させる、請求項１に記載の装置。
6. 絶縁材料で作られた、前記母材を回収するための容器を含む、請求項１に記載の装置。
7. 前記二つの金属レールの間に備え付けられた、安全スパークギャップを含む、請求項１に記載の装置。
8. 再生利用されるべき複合材料ウェブのロールを、前記レール上に展開し、自動的に巻き戻す機械的なシステムを含む、請求項１に記載の装置。
9. 補強材及び母材の型の複合材料を再生利用するための方法であって、
   当該方法は、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の装置を用いて実行され、
   ｉ ある量の再生利用されるべき複合材料を、前記装置の前記二つの金属レールの間に配置するステップ、及び
   ｉｉ 前記電流発生器が、前記二つの金属レールの間にメガワットのオーダー又はメガワットよりも大きな電力の、少なくとも一つの電流パルスを出力するように、前記装置の前記電流発生器を制御するステップであり、該電流パルスは、前記母材から前記補強材を分離させる、ステップ、
   を含む、方法。
10. 前記再生利用されるべき複合材料は、炭素繊維である、請求項９に記載の方法。
11. ピーク電流は、３００Ａ／ｍｍ^２よりも大きな、繊維内の電流密度を生じさせる、請求項９に記載の方法。
12. 再生利用されるべき複合材料ウェブのロールは、前記レール上に展開され、自動的に巻き戻される、請求項９に記載の方法。

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