TWI663192B - Carbon fiber recycling method - Google Patents

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Abstract

本發明有關於一種碳纖維回收方法，係運用微波而從碳纖維高分子複合材料中回收碳纖維的碳纖維回收方法。本發明包括一提供複合材料步驟、一低氧步驟、一微波處理步驟、一置換氣體步驟及一回收碳纖維步驟；藉由微波輻射於碳纖維高分子複合材料，使碳纖維能夠快速吸收微波能量達到溫度急遽上升，有效快速裂解並去除大部分碳纖維高分子複合材料的高分子基材，確實達到回收碳纖維目的。

Description

碳纖維回收方法
本發明係有關於一種碳纖維的回收方法，尤其是指運用微波而從碳纖維高分子複合材料中回收碳纖維的碳纖維回收方法。
按，今日碳纖維高分子複合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，CFRP)被廣泛應用於航太飛機、高爾夫球桿、網球拍、汽車、風力發電，以及醫療器械等工業領域，此乃因為碳纖維高分子複合材料具有的高強度、高彈性模量，以及優異的耐熱性與抗腐蝕性所致；在生產製造階段所產生的邊角料或是使用壽命結束時的報廢產品之碳纖維高分子複合材料等廢棄料都存在處理的問題，其中碳纖維高分子複合材料使用燃燒的方式只能燒去樹脂，碳纖維仍然作為殘渣殘留，故碳纖維高分子複合材料之廢棄物通常做為不可燃固體廢物並透過填埋方式處理，而填埋方式既造成土地資源的浪費，亦會造成周邊環境的惡化，此外，碳纖維高分子複合材料內部含有高價值的碳纖維，使用填埋方式無疑會碳纖維資源的巨大浪費。
現行技術中已有許多方法用以解決上述之問題，主要係對碳纖維高分子複合材料中的高分子進行分解，使其中的碳纖維被分離出來而達到碳纖維回收的目的，其中高分子分解的方法主要係包括有熱分解、無機強酸分解、有機溶劑分解，以及超臨界流體分解等；雖然有機溶劑分解後可得到乾淨的碳纖維，但是回收過程中必須使用大量的有機溶劑，將會對環境造成汙染，且使用後的溶劑分離操作過程複雜，導致回收成本較高；超臨界流體處理方法雖然具有清潔無汙染的特點，但是必須在高溫高壓的反應條件下進行，對反應設備的要求較高，且降解後的產物與流體混合在一起而不易分離。
現行技術中最具有工業化可行性的即是以熱分解處理廢棄的碳纖維高分子複合材料，熱分解方法係為將廢棄的碳纖維高分子複合材料置於熱空氣中分解，此方法對於處理摻雜有金屬等異質碳纖維高分子複合材料效果較好，並且能夠連續操作，但是反應得到的碳纖維因氧化反應嚴重，且因在反應器或分離器中強烈撞擊，而使力學性能不足；因此，如何有效藉由創新的方法以節省時間、有效率且符合節能環保的當代需求來回收碳纖維，仍是碳纖維回收等相關產業開發業者與相關研究人員需持續努力克服與解決之課題。
今，發明人即是鑑於傳統碳纖維回收方法於實際實施時仍存在有諸多缺失，於是乃一本孜孜不倦之精神，並藉由其豐富之專業知識及多年之實務經驗所輔佐，而加以改善，並據此研創出本發明。
本發明主要目的為提供一種碳纖維回收方法，主要係藉由微波輻射於碳纖維高分子複合材料中的碳纖維，使碳纖維能夠快速吸收微波能量達到溫度急遽上升之目的，有效快速裂解並去除大部分碳纖維高分子複合材料的高分子基材，確實達到回收碳纖維目的。
為了達到上述之實施目的，本發明人提出一種碳纖維回收方法，係適用於從一碳纖維高分子複合材料中回收一第一碳纖維，該碳纖維高分子複合材料包含一高分子基材及該第一碳纖維，該高分子基材係與該第一碳纖維結合，該第一碳纖維係包括有一第一碳纖維長軸方向，該碳纖維回收方法包括下列依序步驟： 一提供複合材料步驟：準備該碳纖維高分子複合材料； 一微波處理步驟：使該碳纖維高分子複合材料暴露於一第一微波中；其中，該第一微波係具有一第一微波方向，該第一微波係包括一第一電場，該第一電場具有一第一電場方向，該第一微波方向與該第一電場方向係彼此互相垂直。
如上所述的碳纖維回收方法，其中該第一碳纖維長軸方向與該第一微波方向呈垂直
如上所述的碳纖維回收方法，其中該第一碳纖維長軸方向與該第一電場方向呈平行。
如上所述的碳纖維回收方法，其中該碳纖維回收方法更可包含一低氧步驟，該低氧步驟係介於該提供複合材料步驟及該微波處理步驟之間，該低氧步驟係使該碳纖維高分子複合材料處於一第一氣體氣氛中，該第一氣體氣氛係具有一第一氧氣濃度。
如上所述的碳纖維回收方法，其中該碳纖維回收方法更可包含一置換氣體步驟，該碳纖維高分子複合材料係於該第一微波持續照射下，於該微波處理步驟之後接續進行該置換氣體步驟；該置換氣體步驟係於該第一微波持續照射下，使該碳纖維高分子複合材料處於一第二氣體氣氛中，該第二氣體氣氛係具有一第二氧氣濃度，該第二氧氣濃度係高於該第一氧氣濃度。
如上所述的碳纖維回收方法，其中該碳纖維回收方法更可包含一回收碳纖維步驟，該回收碳纖維步驟係接續於該置換氣體步驟之後；該回收碳纖維步驟係為使該第一碳纖維不暴露於該第一微波中，並取得該第一碳纖維。
如上所述的碳纖維回收方法，其中該第一氧氣濃度係低於或等於1ppm，該第二氧氣濃度係高於1ppm。
如上所述的碳纖維回收方法，其中該第一微波之電功率密度係介於200~2000kW/m 3之間。
如上所述的碳纖維回收方法，其中該提供複合材料步驟中，係包含將該碳纖維高分子複合材料裁切後，依該第一碳纖維長軸方向順向排列或堆疊集中，並使得該第一電場方向及該第一碳纖維長軸方向係呈平行。
如上所述的碳纖維回收方法，其中該第一微波係傳遞至一腔體的內部，該碳纖維高分子複合材料係置放於該腔體的內部，該碳纖維高分子複合材料與該腔體之體積比係介於0. 3~0.8之間。
如上所述的碳纖維回收方法，其中該碳纖維高分子複合材料與該腔體之體積比係介於0. 35~0.5之間。
如上所述的碳纖維回收方法，其中該微波處理步驟更包含使該碳纖維高分子複合材料暴露於一第二微波中；其中，該第二微波係具有一第二微波方向，該第二微波係包括一第二電場，該一第二電場具有一第二電場方向，第二微波方向與該第二電場方向係彼此互相垂直；且，該第二電場方向係與該第一電場方向呈垂直。
如上所述的碳纖維回收方法，其中該第一微波係傳遞至該腔體的內部，該碳纖維高分子複合材料係置放於該腔體的內部，該腔體具有一腔體長軸方向，該第一電場方向與該腔體長軸方向呈一傾斜角，該傾斜角的角度係大於0度且小於或等於90度。
如上所述的碳纖維回收方法，其中該第一微波係傳遞至該腔體的內部，該碳纖維高分子複合材料係置放於該腔體的內部，該腔體係為中空圓柱體。
如上所述的碳纖維回收方法，其中該第一微波係傳遞至該腔體的內部，該碳纖維高分子複合材料係置放於該腔體的內部，該腔體係呈一中空多角柱體。
如上所述的碳纖維回收方法，其中該中空多角柱體之外周圍係由複數個外表面所構成，複數個該外表面其中兩個該外表面分別為一第一外表面及一第二外表面，該第一外表面及該第二外表面係彼此相鄰；該中空多角柱體之內周圍係由複數個內表面所構成，複數個該內表面中具有與該第一外表面相對應之一第一內表面，複數個該內表面中具有與該第二外表面相對應之一第二內表面；該第一外表面及該第二外表面係相夾呈一夾角，或者該第一內表面及該第二內表面係相夾呈該夾角；該夾角的角度係介於60度至160度之間。
如上所述的碳纖維回收方法，其中該夾角的角度係介於90度至150度之間。
如上所述的碳纖維回收方法，其中該夾角的角度係介於120度至144度之間。
如上所述的碳纖維回收方法，其中該夾角的角度係為120度。
為利 貴審查員瞭解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍，合先敘明。
首先，請參閱第1圖至第5圖所示，本發明第一實施例之碳纖維回收方法係適用於從一碳纖維高分子複合材料2中回收一第一碳纖維21，該碳纖維高分子複合材料2包含一高分子基材24 (polymer matrix)及該第一碳纖維21，該高分子基材24係與該第一碳纖維21結合，該第一碳纖維21係包括有一第一碳纖維長軸方向X，該第一碳纖維長軸方向X係為該第一碳纖維21之延伸方向。較佳地，該高分子基材24係包覆該第一碳纖維21並與該第一碳纖維21結合。較佳地，該碳纖維高分子複合材料2包含該高分子基材24及複數個該第一碳纖維21，複數個該第一碳纖維21係依循該第一碳纖維長軸方向X呈平行排列。該高分子基材24可以為熱固性樹脂、室溫硬化樹脂或熱塑性塑膠，熱固性樹脂例如為不飽和聚酯(Unsaturated Polyester Resin)和環氧樹脂(Epoxy Resin)。
本發明之碳纖維回收方法係可運用一碳纖維回收裝置1進行該第一碳纖維21的回收，該碳纖維回收裝置1至少包括有：一第一微波供給單元11及一腔體12；其中，該第一微波供給單元11係包括有一第一微波源111及一第一導波管112，該第一導波管112的一端係與該第一微波源111連結，該第一導波管112的另一端係與該腔體12連結。該第一微波供給單元11係能夠生成一第一微波M1，於實施時該第一微波源111係能夠生成該第一微波M1，該第一微波M1係經由該第一導波管112從該第一微波源111傳遞至該腔體12的內部。該第一微波M1係包括一第一電場E1及一第一磁場F1；該第一微波M1係以一第一微波方向M11進入並朝向該腔體12的內部，該第一電場E1於該腔體12的內部具有一第一電場方向E11，該第一磁場F1於該腔體12的內部具有一第一磁場方向F11。依據弗萊明右手定律(Fleming’s Right-hand rule)及如第4圖所示，該第一微波方向M11、該第一電場方向E11及該第一磁場方向F11係彼此互相垂直。
該腔體12的內部係開設有一容置空間S，該碳纖維高分子複合材料2係放置於該容置空間S。且該腔體12係設置有一第一側壁孔洞121供前述該第一導波管112的另一端連接，以傳遞該第一微波M1至該容置空間S。該腔體12係由可反射微波之材質所製備而成，例如該腔體12係由金屬材質所製備而成之一金屬腔體且該腔體12係可呈密閉態樣，藉由金屬反射該第一微波M1使該第一微波M1於該容置空間S震盪而均勻地充滿該腔體12；再者，藉由金屬反射該第一微波M1並可防護位於該腔體12外部的操作者及其他設備。該腔體12之形狀並無限制，例如該腔體12係為中空圓柱體或中空多角柱體等其中之一種態樣，該腔體12具有一腔體長軸方向XA，該腔體長軸方向XA即為該腔體12的延伸方向，如第4圖所示，該腔體長軸方向XA即為中空圓柱體的延伸方向。
本發明之碳纖維回收方法於實施時，包括下列步驟：
一提供複合材料步驟P01：準備該碳纖維高分子複合材料2；
一微波處理步驟P03：使該碳纖維高分子複合材料2暴露於該第一微波M1中。
本發明之碳纖維回收方法於運用前述該碳纖維回收裝置1的實施方式中，係將該碳纖維高分子複合材料2放置於該容置空間S，接著啟動該第一微波源111以產生該第一微波M1，該第一微波M1經由該第一導波管112及該第一側壁孔洞121傳遞至該容置空間S。以該第一微波M1輻照該碳纖維高分子複合材料2，使該碳纖維高分子複合材料2中的該第一碳纖維21能夠吸收該第一微波M1的能量而使得該第一碳纖維21的溫度上升並發熱，造成與該第一碳纖維21接觸的部分該高分子基材24因受熱而裂解為複數個有機小分子，而其餘部分的該高分子基材24也會因熱傳效應而受熱並且導致裂解為該有機小分子。
特別的發現是，於擺放該碳纖維高分子複合材料2時，如果使得該第一碳纖維21的該第一碳纖維長軸方向X與該第一微波方向M11呈平行時，該第一碳纖維21對該第一微波M1的能量之吸收效果不佳，該第一碳纖維21的溫度並無上升，該高分子基材24無法裂解為該有機小分子；如果使得該第一碳纖維21的該第一碳纖維長軸方向X與該第一微波方向M11呈垂直時，該第一碳纖維21對該第一微波M1的能量之吸收效果良好，該第一碳纖維21的溫度明顯上升，該高分子基材24會被裂解為該有機小分子。因此較佳地，於該微波處理步驟P03中，該第一碳纖維長軸方向X係與該第一微波方向M11呈垂直。
更進一步地發現是，除了該第一碳纖維長軸方向X與該第一微波方向M11呈垂直，如果進一步地使得該第一碳纖維21的該第一碳纖維長軸方向X與該第一電場方向E11呈垂直時，該第一碳纖維21對該第一電場E1的能量之吸收效果不佳，該第一碳纖維21的溫度並無明顯上升，該高分子基材24無法裂解為該有機小分子；如果使得該第一碳纖維21的該第一碳纖維長軸方向X與該第一電場方向E11呈平行時，該第一碳纖維21對該第一電場E1的能量之吸收效果顯著，該第一碳纖維21的溫度顯著上升，該高分子基材24快速且大量裂解為該有機小分子。因此更佳地，於該微波處理步驟P03中，該第一碳纖維長軸方向X與該第一電場方向E11呈平行，該第一電場E1的該第一電場方向E11之震盪方向平行於該第一碳纖維21的分量部分能夠轉換為熱能，並熱傳結合於該第一碳纖維21的該高分子基材24，使該高分子基材24產生熱裂解。該第一微波M1之電功率密度係介於200~2000kW/m 3之間為佳。
基於前述的發現，於該提供複合材料步驟P01中，係包含將該碳纖維高分子複合材料2裁切後，依該第一碳纖維長軸方向X順向排列或堆疊集中並送入該腔體12，使得該腔體長軸方向XA、該第一電場方向E11及該第一碳纖維長軸方向X係呈平行態樣，且該腔體長軸方向XA與該第一微波方向M11呈垂直，該第一碳纖維長軸方向X與該第一微波方向M11呈垂直。較佳地該碳纖維高分子複合材料2與該腔體12之體積比係介於0. 3~0.8之間，而最佳係介於0. 35~0.5之間。
前述該碳纖維回收方法更可包含一低氧步驟P02：使該碳纖維高分子複合材料2處於一第一氣體氣氛中，該第一氣體氣氛係具有一第一氧氣濃度，較佳地該第一氧氣濃度係低於或等於1ppm。例如，於完成該提供複合材料步驟P01之後，對該腔體12的內部原有的氣體(例如空氣)進行真空抽氣或抽氣置換並充入惰性氣體及氧氣，使該腔體12的內部充滿該第一氣體氣氛。該低氧步驟P02於實施時的次序，係可介於該提供複合材料步驟P01及該微波處理步驟P03之間。於該微波處理步驟P03時，該碳纖維高分子複合材料2係暴露於該第一微波M1及該第一氣體氣氛中，由於該高分子基材24係於該第一氣體氣氛的低氧氣濃度(例如低於或等於1ppm)下被加熱，因此大部分的該高分子基材24係被熱裂解為該有機小分子而無燃燒，因而該腔體12並不會有該有機小分子燃燒而導致過熱的危險。
請參閱如下表一，係準備一短纖維合板、一經緯編織合板及一順向纖維合板以前述該碳纖維回收方法實施，量測於完成該低氧步驟P02後該高分子基材24的去除效率；該短纖維合板係指該碳纖維高分子複合材料2中的該第一碳纖維21係為短纖維樣態且以在三度空間中各種不同雜亂的方向分布於該高分子基材24之中；該經緯編織合板係指該碳纖維高分子複合材料2中的該第一碳纖維21係為長纖維樣態且以經向及緯向條數相同的方式垂直交織且被包覆於該高分子基材24之中；該順向纖維合板係指該碳纖維高分子複合材料2中的該第一碳纖維21係為長纖維樣態且僅以經向平行排列方式被包覆於該高分子基材24之中；需說明的是該短纖維合板、該經緯編織合板及該順向纖維合板中的該第一碳纖維21的重量係相同，且該高分子基材24的重量也相同，該碳纖維高分子複合材料2的重量亦相同。表一中該碳纖維回收方法的該第一微波M1的該第一微波M1之電功率密度係為30 kW/m 3，該第一微波M1之作用時間為20分鐘，第一氧氣濃度係0.9ppm，該高分子基材24係為環氧樹脂，該第一碳纖維21係為聚丙烯腈(Polyacrylonitrile，PAN)原料所製成。該碳纖維高分子複合材料2的重量為3000公克， 該第一碳纖維21的重量為1890公克，該高分子基材24的重量1110公克。其中，該順向纖維合板置放於該腔體12的內部時，係使該第一電場方向E11與該第一碳纖維長軸方向X呈平行；該經緯編織合板置放於該腔體12的內部時，係使該第一電場方向E11與呈經向排列之該第一碳纖維長軸方向X呈平行；該短纖維合板置放於該腔體12的內部時，係隨意放置而不考慮該第一電場方向E11與該第一碳纖維長軸方向的關係。
表一
編號 碳纖維高分子複合材料的樣態 碳纖維高分子複合材料的起始重量 碳纖維高分子複合材料的剩餘重量 去除高分子基材的比率
1 短纖維合板 3000公克 2800公克 18%
2 經緯編織合板 3000公克 2711公克 26%
3 順向纖維合板 3000公克 2645公克 32%
於編號1的實施方式，因為該第一碳纖維21係為短纖維樣態且以在三度空間中各種不同雜亂的方向分布於該高分子基材24之中，因此該第一電場方向E11與該第一碳纖維長軸方向X係僅有部分呈平行，該第一碳纖維21僅有部分吸收該第一電場E1的能量，該第一碳纖維21的溫度上升速度較慢且溫度不高，使得在該第一碳纖維21周圍的該高分子基材24熱裂解速度較慢，故於上述製程條件下去除該高分子基材24的比率僅有18%。於編號2的實施方式，因為該第一電場方向E11與一半的該第一碳纖維長軸方向X係呈平行，因此該第一碳纖維21能夠比編號1吸收更多的該第一電場E1的能量，因此該第一碳纖維21的溫度上升速度比編號1來得快且溫度也比編號1來得高，使得在該第一碳纖維21周圍的該高分子基材24熱裂解速度快，故於上述製程條件下去除該高分子基材24的比率能達26%。於編號3的實施方式，因為該第一電場方向E11與所有的該第一碳纖維長軸方向X係呈平行，因此該第一碳纖維21能夠完全吸收該第一電場E1的能量，因此該第一碳纖維21的溫度上升速度比編號2快且溫度也比編號2高，使得在該第一碳纖維21周圍的該高分子基材24熱裂解速度比編號2更快，故於上述製程條件下去除該高分子基材24的比率高達32%。
前述表一足以驗證當該第一電場方向E11與該第一碳纖維長軸方向X係呈平行時，該第一碳纖維21能夠完全吸收該第一電場E1的能量，如編號3實驗結果所示；與該第一電場方向E11與該第一碳纖維長軸方向X係僅有部分呈平行的編號1結果相比較，編號3去除該高分子基材24的速率是編號1的1.78倍。因此相較於傳統製程而言，本發明之該第一電場方向E11與該第一碳纖維長軸方向X係呈平行之技術特徵就能夠提高對該高分子基材24的裂解效率，因此不僅可縮短從該碳纖維高分子複合材料2中回收該第一碳纖維21的時間，而且能夠將該第一微波M1的該第一電場E1的能量完全吸收不浪費，符合節能環保的當代需求。
前述該有機小分子係以抽氣方式或氣流流動方式從該腔體12之該容置空間S被傳送至一冷凝裝置3，該有機小分子被該冷凝裝置3冷凝捕捉，以避免該有機小分子直接被排放至空氣中而造成汙染。
前述該碳纖維回收方法更可包含一置換氣體步驟P04：於該第一微波M1持續照射下，使該碳纖維高分子複合材料2處於一第二氣體氣氛中，該第二氣體氣氛係具有一第二氧氣濃度，該第二氧氣濃度係高於該第一氧氣濃度，例如該第二氧氣濃度係高於1ppm。前述依序進行該提供複合材料步驟P01、該低氧步驟P02及該微波處理步驟P03之後，該碳纖維高分子複合材料2於該第一微波M1持續照射下係可接續進行該置換氣體步驟P04。前述於該微波處理步驟P03時於該第一微波M1持續照射下，大部分的該高分子基材24係被熱裂解為該有機小分子而無燃燒；而於該置換氣體步驟P04時，於該第一微波M1持續照射下，剩餘的小部分的該高分子基材24係持續被熱裂解並形成焦炭而與該第一碳纖維21完全分離。
接續於該置換氣體步驟P04之後，進行一回收碳纖維步驟P05：使該第一碳纖維21不暴露於該第一微波M1中，例如關閉該第一微波M1或以機械手臂將該第一碳纖維21移動離開該第一微波M1的作用範圍，以取得該第一碳纖維21。由於大部分的該高分子基材24係於該微波處理步驟P03時被熱裂解為該有機小分子並被傳送至該冷凝裝置3以冷凝方式捕捉，而剩餘的小部分的該高分子基材24係於該置換氣體步驟P04時形成焦炭而與該第一碳纖維21完全分離，因此該第一碳纖維21係很容易分辨與取得，例如以空壓機吹氣使得焦炭被吹離該第一碳纖維21，從而回收得到高純度、高性能的該第一碳纖維21，確實達到回收與原來外觀形狀、物性近乎相似的該第一碳纖維21。
另外，於沒額外加熱該腔體12的實施態樣下，前述該有機小分子易凝集於該腔體12的壁面，這會造成壁面被汙染不易清洗。因此，該腔體12係可進一步設置有一中空管體122於該容置空間S，該中空管體122的內部中空部分係開設有一管體容置空間S1，而該碳纖維高分子複合材料2係放置於該管體容置空間S1，其中該中空管體122係由微波可穿透之材質所製備而成，該中空管體122係為石英管、水晶管或玻璃管。藉以，該有機小分子係凝集於該中空管體122的管壁，例如石英管的管壁，於清洗石英管的管壁時相對比清洗該腔體12的管壁更為容易且快速。甚至，可將單次操作後的該中空管體122直接以另一乾淨的該中空管體122替換，以加快製程速度。
上述第一實施例尤其適用於經向排列的複數個該第一碳纖維21與該高分子基材24所構成之該碳纖維高分子複合材料2，例如依經向彼此平行排列之複數個該第一碳纖維21與該高分子基材24所構成之呈織帶狀的該碳纖維高分子複合材料2，所述經向係為該第一碳纖維長軸方向X。
請一併參閱第6圖與第7圖所示，為本發明第二實施例，該碳纖維回收裝置1於前述第一實施例的基礎上更包含一第二微波供給單元13，該第二微波供給單元13係由一第二微波源131與一第二導波管132所組合而成。與該第一微波供給單元11類似地，該第二導波管132的一端係與該第二微波源131連結，該第二導波管132的另一端係與該腔體12的一第二側壁孔洞122連結。該第二微波源131係能夠生成一第二微波M2，該第二微波M2係經由該第二導波管132從該第二微波源131傳遞至該腔體12的該第二側壁孔洞122及該容置空間S。該第二微波M2係包括一第二電場E2及一第二磁場F2；該第二微波M2係以一第二微波方向M21進入並朝向該腔體12的內部(該容置空間S)，該第二電場E2於該腔體12的該容置空間S具有一第二電場方向E21，該第二磁場F2於該腔體12的該容置空間S具有一第二磁場方向F21。如第7圖所示，該第二微波方向M21、該第二電場方向E21及該第二磁場方向F21係彼此互相垂直。
基於前述第一實施例的基礎上，本第二實施例中，該碳纖維高分子複合材料2更包含一第二碳纖維22，該第二碳纖維22係包括有一第二碳纖維長軸方向Y，該第二碳纖維長軸方向Y係為該第二碳纖維22之延伸方向。較佳地，該高分子基材24係包覆該第二碳纖維22並與該第二碳纖維22結合。較佳地，該碳纖維高分子複合材料2包含該高分子基材24及複數個該第二碳纖維22，複數個該第二碳纖維22係依循該第二碳纖維長軸方向Y呈平行排列。
與第一實施例類似地，於本第二實施例中不再贅述，該第二碳纖維22的該第二碳纖維長軸方向Y與該第二微波方向M21呈垂直，該第二碳纖維22的該第二碳纖維長軸方向Y與該第二電場方向E21呈平行。
該腔體長軸方向XA與該第二電場方向E21呈垂直，以及該腔體長軸方向XA與該第二碳纖維長軸方向Y呈垂直且該腔體長軸方向XA與該第二微波方向M21呈垂直。
該第二電場方向E21係與該第一電場方向E11呈垂直。
上述第二實施例尤其適用於緯向排列的複數個該第二碳纖維22與該高分子基材24所構成之該碳纖維高分子複合材料2，例如依緯向彼此平行排列之複數個該第二碳纖維22與該高分子基材24所構成之呈織帶狀的該碳纖維高分子複合材料2，所述緯向係為該第二碳纖維長軸方向Y。
因此，前述該微波處理步驟P03更包含使該碳纖維高分子複合材料2暴露於一第二微波M2中；其中，該第二微波M2係具有一第二微波方向M21，該第二微波M2係包括一第二電場E2，該一第二電場E2具有一第二電場方向E21，第二微波方向M21與該第二電場方向E21係彼此互相垂直；且，該第二電場方向E21係與該第一電場方向E11呈垂直。
請一併參閱第8圖與第9圖所示，為本發明第三實施例。與第一實施例及第二實施例類似地，於本第三實施例中不再贅述，該碳纖維回收裝置1同時包含該第一微波供給單元11及該第二微波供給單元13。較佳地，該第一微波供給單元11及該第二微波供給單元13係沿著該腔體長軸方向XA而依次排列。上述第三實施例尤其適用於同時具有經向及緯向編織的複數個該第一碳纖維21、複數個該第二碳纖維22與該高分子基材24所構成之該碳纖維高分子複合材料2，例如依經向及緯向彼此交錯編織之複數個該第一碳纖維21、複數個該第二碳纖維22與該高分子基材24所構成之呈織物狀的該碳纖維高分子複合材料2。
由於該第二電場方向E21係與該第一電場方向E11呈垂直，該第一電場方向E11係與該第一碳纖維長軸方向X呈平行故該第一碳纖維21能夠完全吸收該第一電場E1的能量，該第二碳纖維長軸方向Y與該第二電場方向E21呈平行故該第二碳纖維22能夠完全吸收該第二電場E2的能量，因此第三實施例尤其適用於將前述表一中編號2之該經緯編織合板中同時於經向及緯向對該高分子基材24進行熱裂解，並藉以同時達成對經向之該第一碳纖維21及緯向之該第二碳纖維22的回收，而不受限於前述第一實施例僅對該第一碳纖維21進行回收及前述第二實施例僅對該第二碳纖維22進行回收的實施態樣。
請再一併參閱第10圖與第11圖所示，為本發明第四實施例。第四實施例係調整第一實施例中之該第一微波供給單元11，使該第一電場方向E11與該腔體長軸方向XA相夾呈一傾斜角θ1，該傾斜角θ1的角度係大於0度且小於或等於90度。第四實施例尤其適用於將該碳纖維高分子複合材料2放置於該腔體12的內部時，該第一碳纖維21之該第一碳纖維長軸方向X與該腔體長軸方向XA相夾係呈該傾斜角θ1的實施態樣。換言之，該第一微波供給單元11係可調整該第一微波M1，使該第一電場方向E11與該腔體長軸方向XA的角度依需求而改變。例如，當該碳纖維高分子複合材料2放置於該腔體12的內部時，先量測或偵測出該第一碳纖維長軸方向X與該腔體長軸方向XA之該傾斜角θ1的相夾角度，接著調整該第一微波供給單元11之該第一微波M1，使該第一電場方向E11與該腔體長軸方向XA的角度與該傾斜角θ1的相夾角度相同，以使得該第一電場方向E11與該第一碳纖維長軸方向X呈平行。因此當該碳纖維高分子複合材料2放置於該腔體12的內部時，並不需要事先將該第一碳纖維長軸方向X對準該腔體長軸方向XA，而僅需要依上述方式即可調整該第一微波供給單元11，使得該第一電場方向E11與該第一碳纖維長軸方向X呈平行，增進了該碳纖維高分子複合材料2擺放於該腔體12的內部時的便利性。
因此，前述該微波處理步驟P03更包含：該第一微波M1係傳遞至該腔體12的內部，該碳纖維高分子複合材料2係置放於該腔體12的內部，該腔體12具有該腔體長軸方向XA，該第一電場方向E11與該腔體長軸方向XA呈該傾斜角θ1。
類似地，該第二微波供給單元13係可調整該第二微波M2，使該第二電場方向E21與該腔體長軸方向XA的相夾角度依需求而改變，由於運作機制與原理與前述第四實施例類似，因此不再贅述。
請再參閱第12圖所示，為本發明第五實施例。第五實施例與第三實施例的差別僅在於第五實施例的該腔體12係呈一中空多角柱體，該中空多角柱體之外周圍係由複數個外表面H所構成，該第一微波供給單元11及該第二微波供給單元13係沿著該腔體長軸方向XA而依次排列於該中空多角柱體的其中一個該外表面H。該中空多角柱體係可以為中空三角柱體、中空四角柱體、中空五角柱體、中空六角柱體、中空七角柱體、中空八角柱體、中空九角柱體、中空十角柱體、中空十一角柱體、中空十二角柱體、中空十三角柱體、中空十四角柱體、中空十五角柱體、中空十六角柱體、中空十七角柱體、中空十八角柱體或其他的中空多角柱體。
請再參閱第13圖所示，為本發明第六實施例。第六實施例與第五實施例的差別僅在於第六實施例的複數個該外表面H其中兩個該外表面H分別為一第一外表面H1及一第二外表面H2，該第一外表面H1及該第二外表面H2各具有一個該第一微波供給單元11及一個該第二微波供給單元13，且該第一微波供給單元11及該第二微波供給單元13係沿著該腔體長軸方向XA而依次排列；其中，該第一外表面H1的該第一微波供給單元11與該第二外表面H2的該第一微波供給單元11係不在同一高度，且該第一外表面H1的該第二微波供給單元13與該第二外表面H2的該第二微波供給單元13係不在同一高度；該第一外表面H1的該第一微波供給單元11與該第二外表面H2的該第二微波供給單元13係在同一高度，且該第一外表面H1的該第二微波供給單元13與該第二外表面H2的該第一微波供給單元11係在同一高度。較佳地，該第一外表面H1及該第二外表面H2係彼此相鄰。
該第一外表面H1及該第二外表面H2係相夾呈一夾角θ2；或者，該中空多角柱體之內周圍係由複數個內表面所構成，複數個該內表面中具有與該第一外表面H1相對應之一第一內表面(圖未繪出)，複數個該內表面中具有與該第二外表面H2相對應之一第二內表面(圖未繪出)，該第一內表面及該第二內表面係相夾呈該夾角θ2。該夾角θ2的角度係介於60度至160度之間；較佳地，該夾角θ2的角度係介於90度至150度之間；更佳地，該夾角θ2的角度係介於120度至144度之間；最佳地，該夾角θ2的角度係為120度。需特別說明的是，本說明書內容及專利範圍所述之數值範圍的限定總是包括端值。
當然，本發明亦可於複數個該外表面H中的每一個該外表面H各具有一個該第一微波供給單元11及一個該第二微波供給單元13，且任意兩個相鄰的該外表面H的其中一個該外表面H之該第一微波供給單元11與另一個該外表面H之該第一微波供給單元11彼此不在同一高度，任意兩個相鄰的外表面H的其中一個該外表面H之該第一微波供給單元11與另一個該外表面H之該第二微波供給單元13係在同一高度。
綜上所述，本發明之碳纖維回收方法，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本發明亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。
惟，上述所揭示之圖示及說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。
1‧‧‧碳纖維回收裝置
11‧‧‧第一微波供給單元
111‧‧‧第一微波源
112‧‧‧第一導波管
12‧‧‧腔體
121‧‧‧第一側壁孔洞
122‧‧‧第二側壁孔洞
13‧‧‧第二微波供給單元
131‧‧‧第二微波源
132‧‧‧第二導波管
2‧‧‧碳纖維高分子複合材料
21‧‧‧第一碳纖維
22‧‧‧第二碳纖維
24‧‧‧高分子基材
3‧‧‧冷凝裝置
E1‧‧‧第一電場
E11‧‧‧第一電場方向
E2‧‧‧第二電場
E21‧‧‧第二電場方向
F1‧‧‧第一磁場
F11‧‧‧第一磁場方向
F2‧‧‧第二磁場
F21‧‧‧第二磁場方向
H‧‧‧外表面
H1‧‧‧第一外表面
H2‧‧‧第二外表面
M1‧‧‧第一微波
M11‧‧‧第一微波方向
M2‧‧‧第二微波
M21‧‧‧第二微波方向
P01‧‧‧提供複合材料步驟
P02‧‧‧低氧步驟
P03‧‧‧微波處理步驟
P04‧‧‧置換氣體步驟
P05‧‧‧回收碳纖維步驟
S‧‧‧容置空間
S1‧‧‧管體容置空間
X‧‧‧第一碳纖維長軸方向
XA‧‧‧腔體長軸方向
Y‧‧‧第二碳纖維長軸方向
θ1‧‧‧傾斜角
θ2‧‧‧夾角
第1圖：本發明碳纖維回收方法第一實施例之整體裝置示意圖。 第2圖：本發明碳纖維回收方法第一實施例之微波供給單元與腔體設置剖面圖。 第3圖：本發明碳纖維回收方法第一實施例之微波供給單元與腔體設置立體示意圖。 第4圖：本發明碳纖維回收方法第一實施例之微波行進方向示意圖。 第5圖：本發明碳纖維回收方法第一實施例之步驟流程圖 第6圖：本發明碳纖維回收方法第二實施例之微波供給單元與腔體設置立體示意圖。 第7圖：本發明碳纖維回收方法第二實施例之微波行進方向示意圖。 第8圖：本發明碳纖維回收方法第三實施例之微波供給單元與腔體設置立體示意圖。 第9圖：本發明碳纖維回收方法第三實施例之微波行進方向示意圖。 第10圖：本發明碳纖維回收方法第四實施例之微波供給單元與腔體設置立體示意圖。 第11圖：本發明碳纖維回收方法第四實施例之微波行進方向示意圖。 第12圖：本發明碳纖維回收方法第五實施例之微波供給單元與腔體設置立體示意圖。 第13圖：本發明碳纖維回收方法第六實施例之微波供給單元與腔體設置立體示意圖。

Claims (17)

  1. 一種碳纖維回收方法，係適用於從一碳纖維高分子複合材料(2)中回收一第一碳纖維(21)，該碳纖維高分子複合材料(2)包含一高分子基材(24)及該第一碳纖維(21)，該高分子基材(24)係與該第一碳纖維(21)結合，該第一碳纖維(21)係包括有一第一碳纖維長軸方向(X)，該碳纖維回收方法包括下列依序步驟：一提供複合材料步驟(P01)：準備該碳纖維高分子複合材料(2)；一微波處理步驟(P03)：使該碳纖維高分子複合材料(2)暴露於一第一微波供給單元(11)生成的一第一微波(M1)中；其中，該第一微波(M1)係具有一第一微波方向(M11)，該第一微波(M1)係包括一第一電場(E1)，該第一電場(E1)具有一第一電場方向(E11)，該第一微波方向(M11)與該第一電場方向(E11)係彼此互相垂直；且，該第一碳纖維長軸方向(X)與該第一微波方向(M11)呈垂直；且該第一碳纖維長軸方向(X)與該第一電場方向(E11)呈平行；其中該第一微波(M1)係傳遞至一腔體(12)的內部，該碳纖維高分子複合材料(2)係置放於該腔體(12)的內部，該腔體(12)具有一腔體長軸方向(XA)，該第一電場方向(E11)與該腔體長軸方向(XA)呈一傾斜角(θ 1)；其中，該第一微波供給單元(11)係可調整該第一微波(M1)，進而改變該第一電場方向(E11)與該腔體長軸方向(XA)的角度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之碳纖維回收方法，其中該碳纖維回收方法更可包含一低氧步驟(P02)，該低氧步驟(P02)係介於該提供複合材料步驟(P01)及該微波處理步驟(P03)之間，該低氧步驟(P02)係使該碳纖維高分子複合材料(2)處於一第一氣體氣氛中，該第一氣體氣氛係具有一第一氧氣濃度。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之碳纖維回收方法，其中該碳纖維回收方法更可包含一置換氣體步驟(P04)，該碳纖維高分子複合材料(2)係於該第一微波(M1)持續照射下，於該微波處理步驟(P03)之後接續進行該置換氣體步驟(P04)；該置換氣體步驟(P04)係於該第一微波(M1)持續照射下，使該碳纖維高分子複合材料(2)處於一第二氣體氣氛中，該第二氣體氣氛係具有一第二氧氣濃度，該第二氧氣濃度係高於該第一氧氣濃度。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之碳纖維回收方法，其中該碳纖維回收方法更可包含一回收碳纖維步驟(P05)，該回收碳纖維步驟(P05)係接續於該置換氣體步驟(P04)之後；該回收碳纖維步驟(P05)係為使該第一碳纖維(21)不暴露於該第一微波(M1)中，並取得該第一碳纖維(21)。
  5. 如申請專利範圍第5項所述之碳纖維回收方法，其中該第一氧氣濃度係低於或等於1ppm，該第二氧氣濃度係高於1ppm。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之碳纖維回收方法，其中該第一微波(M1)之電功率密度係介於200~2000kW/m3之間。
  7. 如申請專利範圍第2項所述之碳纖維回收方法，其中該提供複合材料步驟(P01)中，係包含將該碳纖維高分子複合材料(2)裁切後，依該第一碳纖維長軸方向(X)順向排列或堆疊集中，並使得該第一電場方向(E11)及該第一碳纖維長軸方向(X)係呈平行。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之碳纖維回收方法，其中該碳纖維高分子複合材料(2)與該腔體(12)之體積比係介於0.3~0.8之間。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之碳纖維回收方法，其中該碳纖維高分子複合材料(2)與該腔體(12)之體積比係介於0.35~0.5之間。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之碳纖維回收方法，其中該微波處理步驟(P03)更包含使該碳纖維高分子複合材料(2)暴露於一第二微波(M2)中；其中，該第二微波(M2)係具有一第二微波方向(M21)，該第二微波(M2)係包括一第二電場(E2)，該一第二電場(E2)具有一第二電場方向(E21)，第二微波方向(M21)與該第二電場方向(E21)係彼此互相垂直；且，該第二電場方向(E21)係與該第一電場方向(E11)呈垂直。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之碳纖維回收方法，其中，該傾斜角(θ 1)的角度係大於0度且小於或等於90度。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之碳纖維回收方法，其中，該腔體(12)係為中空圓柱體。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之碳纖維回收方法，其中，該腔體(12)係呈一中空多角柱體。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之碳纖維回收方法，其中該中空多角柱體之外周圍係由複數個外表面(H)所構成，複數個該外表面(H)其中兩個該外表面(H)分別為一第一外表面(H1)及一第二外表面(H2)，該第一外表面(H1)及該第二外表面(H2)係彼此相鄰；該中空多角柱體之內周圍係由複數個內表面所構成，複數個該內表面中具有與該第一外表面(H1)相對應之一第一內表面，複數個該內表面中具有與該第二外表面(H2)相對應之一第二內表面；該第一外表面(H1)及該第二外表面(H2)係相夾呈一夾角(θ 2)，或者該第一內表面及該第二內表面係相夾呈該夾角(θ 2)；該夾角(θ 2)的角度係介於60度至160度之間。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之碳纖維回收方法，其中該夾角(θ 2)的角度係介於90度至150度之間。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之碳纖維回收方法，其中該夾角(θ 2)的角度係介於120度至144度之間。
  17. 如申請專利範圍第14項所述之碳纖維回收方法，其中該夾角(θ 2)的角度係為120度。
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