JP7378123B2 - Ｆｒｐのリサイクル方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）の加工方法に関する。
ＦＲＰ、とりわけＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）は、強化材として炭素繊維を用いたプラスチック材であり、航空機や自動車、また、近年では建築物や橋梁等にも広く使用されている材料である。
このように広く使用されているＣＦＲＰが経年によって劣化したり、あるいは、表面に傷が入ったりすることにより、当該ＣＦＲＰを修復する必要が生じている。
例えば、特許文献１には、ＣＦＲＰの外部から損傷部分に修復剤を注入することによって当該ＣＦＲＰを修復する、ＣＦＲＰの修復装置が開示されている。
しかしながら、特許文献１に開示されたＣＦＲＰの修復方法は汎用性が低く、かつ、複雑で高コストという問題があった。
また、使用用途の広がりに伴い、使用済みＦＲＰの廃棄が社会問題となっていることから、上述した修復に加えて、ＦＲＰのリサイクル手法の確立が求められている。
例えば、ＣＦＲＰのリサイクルについては、現在、大型の炉内でＣＦＲＰを加熱し、プラスチック（熱硬化性樹脂）を燃焼させることによって、残った炭素繊維を回収するのが一般的である。
しかし、この方法は大量の廃棄ＣＦＲＰを処理することができる点では有効であるものの、大がかりな設備が必要になるという問題があった。
一般に、ＦＲＰの修復やリサイクルを目的とする場合、強化材である繊維材だけを残して、プラスチック（熱硬化性樹脂）を除去することがポイントである。熱硬化性樹脂だけを除去できれば、後は、熱硬化性樹脂を再度充填することでＦＲＰの修復となり、すべての熱硬化性樹脂を除去して繊維材だけにすれば、繊維材をリサイクルできる。
本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡便な方法でＦＲＰの熱硬化性樹脂を除去する、ＦＲＰの加工方法を提供することにある。
本発明の一局面によれば、
レーザー光線をＦＲＰの表面に照射して照射位置における前記ＦＲＰの厚さ方向に完全に熱硬化性樹脂を除去することにより、
前記ＦＲＰに含まれる残った繊維材を回収することを特徴とするＦＲＰのリサイクル方法が提供される。
レーザー光線をＦＲＰの表面に照射して照射位置における前記ＦＲＰの厚さ方向に完全に熱硬化性樹脂を除去することにより、
前記ＦＲＰに含まれる残った繊維材を回収することを特徴とするＦＲＰのリサイクル方法が提供される。
好適には、
複数の前記レーザー光線の各照射位置が、それぞれ所定の間隔をあけて少なくとも１列に並ぶようにして前記レーザー光線を照射し、
複数の前記レーザー光線の各照射位置の列に直交する方向に複数の前記レーザー光線を移動させることを特徴とする。
複数の前記レーザー光線の各照射位置が、それぞれ所定の間隔をあけて少なくとも１列に並ぶようにして前記レーザー光線を照射し、
複数の前記レーザー光線の各照射位置の列に直交する方向に複数の前記レーザー光線を移動させることを特徴とする。
好適には、
前記レーザー光線が照射される前記ＦＲＰの表面におけるひとつの照射位置には、複数の前記レーザー光線が重畳して照射されることを特徴とする。
前記レーザー光線が照射される前記ＦＲＰの表面におけるひとつの照射位置には、複数の前記レーザー光線が重畳して照射されることを特徴とする。
本発明のように、レーザー光線をＦＲＰの表面に照射して照射位置の熱硬化性樹脂を除去してＦＲＰに含まれる繊維材を露出させることにより、レーザー光源を用いた比較的小型で低額の装置を用いて、ＦＲＰの修復およびリサイクルを容易に実施できる。
すなわち、レーザー光線による熱硬化性樹脂の除去を当該ＦＲＰの厚さ方向における所定の深さまで実施した場合、換言すれば、ＦＲＰの厚さ方向に完全に熱硬化性樹脂を除去してしまうのではなく、所定の厚さだけを残して当該熱硬化性樹脂を除去した場合、繊維材が露出した部分に新しい熱硬化性樹脂を塗布するなどしてＦＲＰの修復を行うことができる。
また、レーザー光線によってＦＲＰの厚さ方向に完全に熱硬化性樹脂を除去した場合、残った繊維材のみを回収してＦＲＰのリサイクルを行うことができる。
（レーザー照射装置１０の構成）
以下、図面を用いて、本発明に係る方法を実施するために構成されたレーザー照射装置１０の構成について説明する。
以下、図面を用いて、本発明に係る方法を実施するために構成されたレーザー照射装置１０の構成について説明する。
図１に示すように、レーザー照射装置１０は、大略、レーザー光源１２と、集光具１４とを備えている。
レーザー光源１２は、所定の波長・波形のレーザー光線Ｌを発生する部材であり、本実施形態ではレーザーダイオード（半導体レーザー）が使用されている。もちろん、レーザー光源１２はこれに限定されるものではなく、例えば、より高出力のレーザー光線Ｌを発生させることのできるレーザー加工機を使用してもよい。
集光具１４は、レーザー光源１２からのレーザー光線Ｌを所定の焦点位置Ｆに集光するための部材であり、本実施形態では、１つのレーザー光源１２に対して２つの凸レンズ１６を組み合わせて構成されている。焦点位置Ｆは、加工の対象となるＦＲＰ（本実施形態ではＣＦＲＰである。以下、「ＦＲＰ材Ｓ」という。）の表面Ｔに設定されている。ただし、加工の対象となるＣＦＲＰの母材を除去できる温度まで加熱可能であれば、焦点位置Ｆは必ずしも加工の対象となるＦＲＰ材Ｓの表面Ｔに設定する必要はない。集光具１４も本実施形態のものに限定されず、例えば、リフレクターを使用したり、あるいは、レンズとリフレクターとを組み合わせたりして集光具１４を構成してもよい。
レーザー光源１２から照射されたレーザー光線Ｌは、集光具１４で屈折されて、焦点位置ＦであるＦＲＰ材Ｓの表面Ｔに集光される。
（ＦＲＰ材Ｓにおける熱硬化性樹脂の除去）
通常、ＦＲＰ材Ｓは、図２に示すように、互いに略平行に引き揃えられた多数の炭素繊維Ｃで構成されたシートに熱硬化性樹脂（例えば、エポキシ樹脂）Ｐを予めなじませて構成された複数のプリプレグシートを積層させ、各プリプレグシートを圧着硬化させることによって形成されている。なお、ＦＲＰ材Ｓの形成方法は、これに限られず、例えばインフュージョン工法やＲＴＭ工法であってもよい。
通常、ＦＲＰ材Ｓは、図２に示すように、互いに略平行に引き揃えられた多数の炭素繊維Ｃで構成されたシートに熱硬化性樹脂（例えば、エポキシ樹脂）Ｐを予めなじませて構成された複数のプリプレグシートを積層させ、各プリプレグシートを圧着硬化させることによって形成されている。なお、ＦＲＰ材Ｓの形成方法は、これに限られず、例えばインフュージョン工法やＲＴＭ工法であってもよい。
上述したレーザー照射装置１０から照射されたレーザー光線ＬをＦＲＰ材Ｓの表面Ｔに集光させると、当該レーザー光線Ｌのエネルギーによって照射位置（焦点位置Ｆ）がスポット的に高温になり、図３に示すように、炭素繊維Ｃよりも沸点が低い熱硬化性樹脂Ｐが炭素繊維Ｃを残して先に蒸発する。
このようなレーザー光線Ｌの照射を所定の方向に順に実施していくことにより、表面Ｔに最も近い位置にある炭素繊維Ｃの一群の周りにあった熱硬化性樹脂Ｐがなくなり、これら炭素繊維Ｃが露出する。
ＦＲＰ材Ｓの厚さ方向のより深い位置まで炭素繊維Ｃを露出される場合は、先に露出した炭素繊維Ｃを取り除いた後、再度、レーザー光線Ｌの照射を表面Ｔに照射していくことになる。なお、取り除いた炭素繊維Ｃの層が多くなるほど、レーザー光線Ｌの照射を受ける表面Ｔの位置がＦＲＰ材Ｓの厚さ方向のより深い位置になる。
ＦＲＰ材Ｓの修復を目的とする場合であれば、上述したレーザー光線Ｌによる熱硬化性樹脂Ｐの除去を当該ＦＲＰ材Ｓの厚さ方向における所定の深さまで実施し、当該ＦＲＰ材Ｓの厚さ方向に完全に熱硬化性樹脂Ｐを除去してしまうのではなく、所定の厚さだけを残して当該熱硬化性樹脂Ｐを除去することにより、図４に示すように、炭素繊維Ｃが露出した部分に新しい熱硬化性樹脂Ｐを塗布・硬化してＦＲＰ材Ｓの修復を行うことができる。
さらに言えば、図５に示すような立体（３Ｄ）形状のＦＲＰ材Ｓを形成する際に本発明に係るＦＲＰの加工方法を適用することができる。
具体的に説明すると、最初に、図６に示すような２つのＦＲＰ材Ｓ１およびＳ２を用意しておく。次に、両ＦＲＰ材Ｓ１およびＳ２における互いに接する面Ｂに対して本発明に係るＦＲＰの加工方法を適用し、所定の深さまで炭素繊維Ｃを露出させておく。
然る後、両ＦＲＰ材Ｓ１およびＳ２の面Ｂにそれぞれ熱硬化性樹脂Ｐや接着剤を塗布して、両ＦＲＰ材Ｓ１およびＳ２を接着させる。以上により、図５に示す様な立体（３Ｄ）形状のＦＲＰ材Ｓを形成することができる。
ＦＲＰ材Ｓのリサイクルを目的とする場合であれば、上述したレーザー光線ＬによってＦＲＰ材Ｓの厚さ方向に完全に熱硬化性樹脂Ｐを除去することで、残った炭素繊維Ｃのみを回収してＦＲＰ材Ｓのリサイクルを行うことができる。
このように、レーザー光線ＬをＦＲＰ材Ｓの表面に照射して照射位置（焦点位置Ｆ）の熱硬化性樹脂Ｐを除去してＦＲＰ材Ｓに含まれる炭素繊維Ｃを露出させることにより、レーザー光源１２を用いた比較的小型で低額の装置を用いて、ＦＲＰ材Ｓの修復およびリサイクルを容易に実施できる。
（変形例１）
上述した実施形態では、１組のレーザー光源１２と集光具１４とでレーザー照射装置１０を構成していたが、複数のレーザー光源１２と集光具１４とを組み合わせて、各レーザー光源１２からの複数のレーザー光線ＬをＦＲＰ材Ｓの表面Ｔにおけるひとつの照射位置（焦点位置Ｆ）に重畳して照射するようにレーザー照射装置１０を構成してもよい。
上述した実施形態では、１組のレーザー光源１２と集光具１４とでレーザー照射装置１０を構成していたが、複数のレーザー光源１２と集光具１４とを組み合わせて、各レーザー光源１２からの複数のレーザー光線ＬをＦＲＰ材Ｓの表面Ｔにおけるひとつの照射位置（焦点位置Ｆ）に重畳して照射するようにレーザー照射装置１０を構成してもよい。
この変形例１に係るレーザー照射装置１０は、図７に示すように、例えば３組のレーザー光源１２と集光具１４とを組み合わせて構成されている。
（変形例２）
また、図８に示すように、複数のレーザー光源１２と集光具１４とを組み合わせて、各レーザー光源１２からＦＲＰ材Ｓに向けて照射されるレーザー光線Ｌの照射位置（焦点位置Ｆ）を、それぞれ所定の間隔をあけて、かつ、各照射位置（焦点位置Ｆ）が１列に並ぶように設定してレーザー照射装置１０を構成してもよい。
また、図８に示すように、複数のレーザー光源１２と集光具１４とを組み合わせて、各レーザー光源１２からＦＲＰ材Ｓに向けて照射されるレーザー光線Ｌの照射位置（焦点位置Ｆ）を、それぞれ所定の間隔をあけて、かつ、各照射位置（焦点位置Ｆ）が１列に並ぶように設定してレーザー照射装置１０を構成してもよい。
もちろん、ひとつの照射位置（焦点位置Ｆ）を照射するレーザー光線Ｌの数はひとつでもよいし、変形例１で説明した構成を組み合わせて、複数のレーザー光線Ｌをひとつの照射位置（焦点位置Ｆ）に重畳して照射させてもよい。さらに言えば、レーザー光線Ｌの各照射位置（焦点位置Ｆ）が並列に２列以上に並ぶようにしてもよい。
複数のレーザー光線Ｌの照射位置（焦点位置Ｆ）が並んだ列に直交する方向に各レーザー光線Ｌを移動させていくと、図９に示すように、各照射位置（焦点位置Ｆ）同士の間隔やレーザー光線Ｌの強度を調整することにより、ＦＲＰ材Ｓにおける加工対象の面Ｂを一度に加工することができる。なお、図９では、各レーザー光線Ｌの軌跡を点線で表している。
（変形例３）
加工するＦＲＰ材Ｓにおけるレーザー光線Ｌを照射する面Ｂとは反対側の面を加熱源（例えばホットプレート）で加熱してもよい。これにより、加熱源からの熱でＦＲＰ材Ｓが加熱され、より小出力のレーザー光線ＬでＦＲＰ材Ｓの加工を実施できる。
加工するＦＲＰ材Ｓにおけるレーザー光線Ｌを照射する面Ｂとは反対側の面を加熱源（例えばホットプレート）で加熱してもよい。これにより、加熱源からの熱でＦＲＰ材Ｓが加熱され、より小出力のレーザー光線ＬでＦＲＰ材Ｓの加工を実施できる。
（その他の変形例）
加えて、今回は炭素繊維Ｃの方向が一方向に引き揃えられたＦＲＰ材Ｓを使用したが、炭素繊維Ｃが垂直方向に平織り状、もしくは綾織り状に編み込まれたＦＲＰ材Ｓを使用した場合においても、本発明に係る加工方法で処理することができる。
加えて、今回は炭素繊維Ｃの方向が一方向に引き揃えられたＦＲＰ材Ｓを使用したが、炭素繊維Ｃが垂直方向に平織り状、もしくは綾織り状に編み込まれたＦＲＰ材Ｓを使用した場合においても、本発明に係る加工方法で処理することができる。
また、上記実施形態で例示した炭素以外の繊維材、例えばガラス繊維やセラミック繊維、アラミド繊維やアルミニウム繊維、セルロースナノ繊維などの繊維材を使用したＦＲＰ材Ｓについても同様の加工を施すことができる。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１０…レーザー照射装置、１２…レーザー光源、１４…集光具
Ｌ…レーザー光線、Ｆ…焦点位置、Ｓ…ＦＲＰ材、Ｔ…（ＦＲＰ材Ｓの）表面、Ｃ…炭素繊維、Ｐ…熱硬化性樹脂、Ｂ…面
Ｌ…レーザー光線、Ｆ…焦点位置、Ｓ…ＦＲＰ材、Ｔ…（ＦＲＰ材Ｓの）表面、Ｃ…炭素繊維、Ｐ…熱硬化性樹脂、Ｂ…面
Claims (3)
- レーザー光線をＦＲＰの表面に照射して照射位置における前記ＦＲＰの厚さ方向に完全に熱硬化性樹脂を除去することにより、
前記ＦＲＰに含まれる残った繊維材を回収することを特徴とするＦＲＰのリサイクル方法。 - 複数の前記レーザー光線の各照射位置が、それぞれ所定の間隔をあけて少なくとも１列に並ぶようにして前記レーザー光線を照射し、
複数の前記レーザー光線の各照射位置の列に直交する方向に複数の前記レーザー光線を移動させることを特徴とする請求項１に記載のリサイクル方法。 - 前記レーザー光線が照射される前記ＦＲＰの表面におけるひとつの照射位置には、複数の前記レーザー光線が重畳して照射されることを特徴とする請求項１または２に記載のリサイクル方法。
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| CN202011141401.0A CN112708158A (zh) | 2019-10-25 | 2020-10-22 | Frp的加工方法 |
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