JP7223243B2 - 炭素繊維の回収方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭素繊維強化樹脂（以下、「ＣＦＲＰ」と称することがある）の中に含まれている炭素繊維の回収方法に関する。特には、筒状のＣＦＲＰ成型品からの炭素繊維の回収方法に関する。

ＣＦＲＰは軽量であり、且つ強度や弾性率の機械的特性に優れている。したがって、ＣＦＲＰ成型品は、スポーツ・レジャー用品の構成部品や、航空宇宙用構成部品等の幅広い分野にわたって使用されている。

ＣＦＲＰに使用されている炭素繊維は比較的高価である。また、炭素繊維製造に際しては、エネルギーを消費し、ＣＯ_２を排出する。したがって、廃ＣＦＲＰから炭素繊維を回収して再利用することは、経済的観点および地球環境負荷低減の観点から、有益である。特許文献１～３に、ＣＦＲＰから炭素繊維を回収する技術が開示されている。

特開平１１－５０３３８号公報 特開平１１－２９０８２２号公報 特開平７－１１８４４０号公報

特許文献１～３に開示される技術においては、炭素繊維強化樹脂を、破砕、或いは粉砕した後に、マトリックス樹脂を熱分解している。したがって、回収される炭素繊維の繊維長は、例えば数センチメートル、長くても１０センチメートル、短ければ数百マイクロメーター程度となる。つまり、ＣＦＲＰから短繊維の形態の炭素繊維しか回収できない。

その為、回収した炭素繊維を再利用する場合もその用途は限られる。例えば、回収した炭素繊維を、熱可塑性樹脂に混練して射出成型或いは押し出し成型等したり、コンクリートに混練したり、また、マットの製造に利用するような用途に限られる。

本発明は、炭素繊維強化樹脂から炭素繊維を回収する際に、長繊維の形態で回収できる方法を提供するものである。

本発明によれば、
炭素繊維強化樹脂からなる筒状体を含む炭素繊維強化樹脂成型品を、該筒状体の形状を保ったまま熱分解炉に設置してマトリックス樹脂を熱分解する熱分解工程と、
該筒状体の内面から、該筒状体の軸の方向に炭素繊維を引き出して炭素繊維を回収する回収工程と
を含む、炭素繊維強化樹脂成型品からの炭素繊維の回収方法が提供される。

本発明によれば、炭素繊維強化樹脂から炭素繊維を回収する際に、長繊維の形態で回収できる方法が提供される。

実施例１において、タイプ４の容器をそのままバッチ炉に設置したとき（熱処理前）の写真である。 実施例１における、熱処理後の容器の写真である。 実施例１において、熱処理後の容器から、インサイドプル法で炭素繊維トウを手で引き上げている状況を示す写真である。 実施例１において、回収した炭素繊維トウをボビンに巻き取った状態を示す写真である。 タイプ４の容器の基本構成を示す模式的部分断面図である。

本発明においては、ＣＦＲＰからなる筒状体を含むＣＦＲＰ成型品から炭素繊維を回収する。当該筒状体は、後にインサイドプル法によって炭素繊維を回収するに好適である。ＣＦＲＰ成型品は、有底であっても無底であってもよい。つまり、ＣＦＲＰ成型品の端部が閉じていてもよいし、開口していてもよい。ただし、少なくとも一方の端部に、開口が存在することが好ましい。開口が無い場合は、熱分解工程後の成型品を適宜変形して開口を作成することができる。

ＣＦＲＰ成型品（特には前記筒状体）として、フィラメントワインディング（ＦＷ）成型品を好ましく用いることができる。ＦＷ成型品は、炭素繊維束（トウ）を必要に応じて複数本引き揃え、マトリックス樹脂を含浸させて、回転する金型（マンドレル）に適宜の厚さまでテンションを掛けながら適宜の角度で巻き付け、硬化後脱型することにより、製造することができる。典型的なＦＷ成型品は、圧力容器、ロール、シャフトなどである。

ＣＦＲＰ成型品として、例えば、ＩＳＯ１１４３９：２０１３に定められるタイプ４の容器（圧力容器）を用いることができる。タイプ４の容器は、図５に示すように、非金属（プラスチック）ライナー１の全周をＣＦＲＰ２で巻いた容器、いわゆるフルラップ複合容器であり、口金３を有する。ただし、図５は容器の全体を示しておらず、容器の上部のみを示す部分図である。

〔熱分解工程〕
熱分解工程では、ＣＦＲＰ成型品を、前記筒状体の形状を保ったまま熱分解炉内に設置する。つまり、前記筒状体の破砕や粉砕は行わない。原料であるＣＦＲＰ成形品の前記筒状体以外の部分を分離してから前記筒状体のみを熱分解炉内に設置することが好ましい。その分離は前記筒状体を損傷しないように行う。金属部品等は熱分解後に分離することもできる。そして熱分解炉内で加熱して、ＣＦＲＰのマトリックス樹脂を熱分解する。熱分解の温度や雰囲気は、マトリックス樹脂の種類に応じて適宜決めることができる。このとき、ＣＦＲＰに含まれる炭素繊維が損傷しない条件を適宜選ぶ。熱分解の温度は３５０℃～５００℃が好ましい。３５０℃以上であればマトリックス樹脂の分解が速やかに進み、５００℃以下であれば炭素繊維の損傷が少ない。熱分解を行う雰囲気は、空気または窒素などの不活性雰囲気が好ましい。加熱した空気または窒素などの不活性気体を供給しつつ、熱分解によって発生するマトリックス樹脂の分解ガスを除去することが好ましい。

〔回収工程〕
回収工程では、熱分解工程を経た前記筒状体の内面から筒状の軸の方向（略軸方向）に炭素繊維を引き出すことによって、炭素繊維を回収する。これにより、連続繊維の状態で、ＣＦＲＰ成型品から炭素繊維を抜き取ることができる。例えば、前記筒状体に含まれていた連続炭素繊維を、連続炭素繊維のまま回収することができる。

前述のように、ＣＦＲＰから炭素繊維を回収する従来の技術では、短繊維の形態の炭素繊維しか回収できなかった。しかし、本発明によれば、ＣＦＲＰから長繊維の形態でも炭素繊維を回収できる。したがって、新品の炭素繊維と同様の用途に使用可能な炭素繊維を回収できるようになり、リサイクル炭素繊維の適用可能な用途が拡大する。

〔実施例１〕
タイプ４の容器を用意した。この容器は、ポリエチレンをブロー成形したライナーにアルミニウムの口金を取り付けたマンドレルに、不飽和ポリエステル樹脂を含浸した炭素繊維束を所定のパターンでＦＷ法により巻きつけた後、不飽和ポリエステル樹脂を加熱硬化したＦＷ成型品である。

この容器をそのまま、バッチ式熱分解炉に設置した。そのときの状態を図１に示す。次いで、熱分解炉において、窒素雰囲気下、５００℃、１．５時間の加熱処理を行った。図２に、加熱処理後の容器の状態を示す。容器は、少し変形したが、ほぼ原形を保っていた。

熱処理後の容器はマトリックス樹脂を失っているので、口金周辺の炭素繊維を押し広げることで口金を容易に取り除くことができた。口金を取り除いた生じた開口部から、加熱処理後の容器の内部を観察し、ＦＷ成型の巻き始めである炭素繊維トウの端を特定して、前記開口部から手を入れて、炭素繊維トウの端をつかんで引き出した。この炭素繊維トウは連続して引き出して解舒することが出来た。この状況を図３（ａ）及び（ｂ）にそれぞれに示す。

この際、加熱処理後の容器をターンテーブルに載置して回転することにより、筒状の軸の方向に引き出した炭素繊維トウに生じる解舒撚りを解除したり、また撚りを強くかけたりすることもできる。本実施例では、加熱処理後の容器の口金を有していた側を上にして静置したまま炭素繊維トウを上に引き出した。

熱分解処理後の容器の外周にある、ＦＷ成型の巻き終わりである炭素繊維トウの端を特定して、解除することも可能であるが、筒状の軸方向に引き出す場合は、引き出した炭素繊維トウが熱分解処理後の容器に引っかかり易い。熱分解処理後の容器は自身の形状を保ち難いので、熱分解処理後の容器を回転させて、筒状体の軸と直交する方向に炭素繊維トウを引き出すのは容易とはいえない。

連続的に解舒した炭素繊維トウをワインダーで捲きとった。

回収した炭素繊維トウを、新品の炭素繊維と同様の形態で、ワインダーでボビンに捲き取ることが出来た（図４）。

１ プラスチックライナー
２ ＣＦＲＰ
３ 口金

Claims (7)

1. 炭素繊維強化樹脂からなる筒状体を含む炭素繊維強化樹脂成型品を、該筒状体の形状を保ったまま熱分解炉に設置してマトリックス樹脂を熱分解する熱分解工程と、
   該筒状体の内面から、該筒状体の軸の方向に炭素繊維を引き出して炭素繊維を回収する回収工程と
   を含み、
   前記炭素繊維強化樹脂成型品が、フィラメントワインディング成型品である、
   炭素繊維強化樹脂成型品からの炭素繊維の回収方法。
2. 前記炭素繊維強化樹脂成型品が、タイプ４の圧力容器である、請求項１に記載の炭素繊維の回収方法。
3. 前記炭素繊維強化樹脂成型品が前記筒状体以外の部分を含む場合はその部分を分離してから前記熱分解炉に設置する、請求項１又は２に記載の炭素繊維の回収方法。
4. 前記炭素繊維強化樹脂成型品が口金を含む場合は、前記熱分解工程後に前記口金を取り除く、請求項１又は２に記載の炭素繊維の回収方法。
5. 前記熱分解炉がバッチ式熱分解炉である、請求項１から４のいずれか一項に記載の炭素繊維の回収方法。
6. 前記熱分解工程において、熱分解の温度が３５０～５００℃である、請求項１から５のいずれか一項に記載の炭素繊維の回収方法。
7. 前記回収工程において、引き出した前記炭素繊維をワインダーでボビンに捲き取る、請求項１から６のいずれか一項に記載の炭素繊維の回収方法。

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