(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維含有樹脂の処理方法であって、
空気を遮断した状態で炭素繊維含有樹脂を加熱して、前記炭素繊維含有樹脂のマトリックス樹脂を熱分解する熱分解工程と、
液体を貯留する容器に、熱分解によりマトリックス樹脂が炭化物となって付着した炭素繊維を入れ、前記容器内の前記液体を撹拌子で撹拌することで、前記炭素繊維を開繊する撹拌工程と、
撹拌工程後、前記液体から前記炭素繊維を分離する分離工程と、を備えた処理方法。
【請求項２】
前記熱分解工程では、炭化乾留炉によって前記マトリックス樹脂を炭化する請求項１に記載の処理方法。
【請求項３】
前記熱分解工程では、前記炭素繊維含有樹脂が配置される炭化乾留室を４００℃〜６５０℃で加熱している請求項２に記載の処理方法。
【請求項４】
炭素繊維を含む炭素繊維含有樹脂の処理装置であって、
空気を遮断した状態で炭素繊維含有樹脂を加熱して、前記炭素繊維含有樹脂のマトリックス樹脂を熱分解する熱分解装置と、
液体を貯留する容器と、
熱分解によりマトリックス樹脂が炭化物となって付着した炭素繊維を前記容器に入れた状態で、前記容器中の液体を撹拌子で撹拌することで、前記炭素繊維を開繊する撹拌装置と、
前記撹拌装置で撹拌した後の液体から、前記炭素繊維を分離する分離機を備えた処理装置。
【請求項５】
前記熱分解装置は前記炭素繊維含有樹脂が配置される炭化乾留室を４００℃〜６５０℃で加熱している請求項４に記載の処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維含有樹脂の処理装置、及び処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、炭素繊維強化プラスチック（Ｃａｒｂｏｎ  Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅ  Ｐｌａｓｔｉｃ：以下ＣＦＲＰ）などの繊維含有樹脂が広く利用されている。このような繊維含有樹脂では、繊維を効率よくリサイクルすることが望まれている。
【０００３】
特許文献１には、ＣＦＲＰを原料として再生炭素繊維を製造する製造装置が開示されている。特許文献１の製造装置では、炭化乾留炉において乾留工程を行った後、乾留後のＣＦＲＰを所定のサイズにカットしている。そして、カットした後のＣＦＲＰを連続式炉で加熱している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−６４２１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の処理方法では、炭化乾留炉において、炭素繊維の表面に付着した炭化物を、連続式炉によって加熱除去している。しかしながら、特許文献１の方法では、連続式炉において、空気雰囲気化で繊維を高温で処理している。このため、炭素繊維が高温で空気に触れることになり、炭素繊維が酸化して、劣化してしまう。あるいは、酸素と触れさせないために窒素雰囲気で処理する場合、窒素ガスを供給する必要が生じてしまい、処理コストが増加してしまう。
【０００６】
本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、繊維の強度劣化を低減することができる処理方法、及び処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様に係る処理方法は、繊維含有樹脂の処理方法であって、繊維含有樹脂のマトリックス樹脂を熱分解する熱分解工程と、熱分解工程後、前記繊維含有樹脂に含まれる繊維を液体中で撹拌する撹拌工程と、を備えたものである。こうすることで、繊維の強度劣化を低減することができる。
上記の処理方法は、撹拌工程後、前記液体から前記繊維含有樹脂に含まれていた繊維を分離する分離工程をさらに備えていてもよい。こうすることで、簡便に繊維を再処理することができる。
上記の処理方法において、前記熱分解工程では、炭化乾留炉によって前記マトリックス樹脂を炭化するようにしてもよい。これにより、マトリックス樹脂を効率よく熱分解することができる。
【０００８】
本発明の一態様にかかる処理装置は、繊維を含む繊維含有樹脂の処理装置であって、繊維含有樹脂のマトリックス樹脂を熱分解する熱分解装置と、液体を貯留する容器と、熱分解によりマトリックス樹脂が炭化物となって付着した前記繊維を前記液体中で撹拌して、開繊する撹拌装置と、を備えたものである。これにより、繊維の強度を劣化させずに、開繊することができる。
上記の処理装置は、前記撹拌装置で撹拌した後の液体から、前記繊維を分離する分離機をさらに備えていてもよい。これにより、効率よく繊維を分離することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、繊維の強度劣化を低減することができる処理方法、及び処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態に係る処理方法の熱分解工程を行うための炭化乾留炉を示す図である。
【図２】本実施形態に係る処理方法の開繊工程を行うための装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明に係る処理方法、処理装置の実施形態を、図面に基づいて詳細に説明する。但し、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００１２】
本実施の形態係る処理方法は、繊維含有樹脂の処理方法であって、繊維含有樹脂のマトリックス樹脂を熱分解する熱分解工程と、熱分解工程後の繊維含有樹脂に含まれる繊維を液体中で撹拌する工程と、を備えたものである。このようにすることで、繊維表面に付着した残留炭素を除去することができる。したがって、容易に開繊することができる。さらに、酸素雰囲気化で繊維を加熱処理していないため、繊維強度の劣化を防ぐことができる。
【００１３】
処理対象としては、例えば、主成分となるマトリックス樹脂に炭素繊維が含有されたＣＦＲＰである。本実施の形態にかかる処理方法は、ＣＦＲＰを再処理する。すなわち、本実施形態に係る処理方法で、ＣＦＲＰを処理することで、ＣＦＲＰに含まれていた炭素繊維が再利用可能となる。
【００１４】
以下、本実施の形態にかかる繊維含有樹脂の処理装置、及び処理方法について、図１、及び図２を用いて説明する。図１は、第１の工程である熱分解工程を行う炭化乾留炉の装置構成を示す図である。図２は、第２の工程である撹拌工程を行う装置の構成を示す図である。
【００１５】
まず、図１を用いて、第１の工程である熱分解工程を行う装置について説明する。図１に装置１００の概略構成を示す。装置１００は、ＣＦＲＰのマトリックス樹脂を炭化する炭化乾留炉１０１を備えている。
【００１６】
炭化乾留炉１０１は、本体部１０５と、炭化乾留室１０２と、燃焼室１０３と、を備えている。本体部１０５は、開口部を有する箱状に形成されている。本体部１０５は、正面側に、図示されない封止扉が取り付けられている。炭化乾留室１０２は、本体部１０５の内側に配置されている。燃焼室１０３は、炭化乾留室１０２の下側に配置されている。本体部１０５、及び炭化乾留室１０２の外壁は、いずれも耐熱性の金属で形成されている。
【００１７】
炭化乾留室１０２の内部には、耐熱トレイ１１０が設置される耐熱棚１１１が設けられている。耐熱棚１１１には、複数の耐熱トレイ１１０が配置されている。ＣＦＲＰ４０は、耐熱トレイ１１０上に並べられる。耐熱トレイ１１０は互いに間隔をあけた状態で耐熱棚１１１上に積み重ねられている。耐熱トレイ１１０が炭化乾留室１０２に収納される。封止扉を閉鎖すると、炭化乾留室１０２は密閉状態となり、無酸素状態で炭化乾留を行うことができる。ＣＦＲＰ４０のマトリックス成分は、加熱により一部が炭化水素等のガス（乾留ガス）に分解する。またこのとき、マトリックス成分の一部は、炭化して粉体等の態様となり、炭素繊維の表面に残存する。
【００１８】
装置１００は、２つのバーナー１０４を備えている。一方のバーナー１０４は、燃料が供給されて、燃焼する。他方のバーナー１０４は、乾留ガスが供給されて、燃焼する。なお、乾留ガスは、炭化乾留室１０２により発生したマトリックス成分のガスである。
【００１９】
炭化乾留室１０２の内部とバーナー１０４とはガス燃焼用配管（図示せず）によって連通している。炭化乾留室での乾留によって発生する乾留ガスは、ガス燃焼用配管１０７を通過してバーナー１０４に供給されて燃焼する。乾留ガスの燃焼熱は、炭化乾留室１０２の昇温と温度維持に用いられる。これにより、乾留ガスを燃焼室１０３の燃料として使用することができるので、燃料費を抑制することが可能になる。
【００２０】
装置１００は、加熱室１１５と燃焼室１０３とにそれぞれ連通する熱風放出ダクト１０８を備えている。熱風放出ダクト１０８には、加熱室１０２と燃焼室１０３との間の通路にダンパー１０９が設けられている。よって、過剰な熱を適宜外部に放出して温度調節を行うことができる。これにより、炭化乾留室１０２の温度は、約４００℃から約６５０℃の範囲で維持される。
【００２１】
装置１００は、外部ボイラー１１２と、水蒸気配管１１３と、過熱水蒸気発生装置１１４とを備えている。外部ボイラー１１２は、供給された水を加熱する。過熱水蒸気発生装置１１４は、熱交換器である水蒸気配管１１３は、外部ボイラー１１２と炭化乾留室１０２とを過熱水蒸気発生装置１１４を介して連通する。乾留工程が開始されて、炭化乾留室１０２の温度が１００℃を越えた時点で、外部ボイラー１１２で予熱された水蒸気が過熱水蒸気発生装置１１４に供給される。そして、過熱水蒸気発生装置１１４から水蒸気配管１１３を経由して１００℃から７００℃の水蒸気が炭化乾留室１０２に供給される。これにより、炭化乾留室１０２内の対流を促進し、炭化乾留室１０２内の乾留により発生した乾留ガスを効率よく追い出すことができる。水蒸気の供給は、乾留が終わり、冷却が開始されるまで継続される。
【００２２】
このように、装置１００は、空気を遮断した雰囲気にて、ＣＦＲＰ４０を加熱する。これにより、ＣＦＲＰ４０のマトリックス樹脂が熱分解される。ＣＦＲＰ４０に含まれていた炭素繊維には、残留炭素と呼ばれる炭化物が付着している。すなわち、マトリックス樹脂の熱分解によって発生した炭素粉が炭素繊維に付着する。炭素繊維に残留炭素が付着していると、再利用する炭素繊維同士が解れずに固まったままの状態となってしまう。したがって、本実施の形態では、装置２００が炭素繊維を開繊して、湿式分級を行っている。
【００２３】
以下、図２を用いて、第２の工程を行う装置２００について説明する。装置２００は、撹拌機２１０と、開繊された炭素繊維を液体から分離する分離機２２０とを備えている。撹拌機２１０は、炭素繊維を開繊する。撹拌機２１０は開繊槽２１１と、回転軸２１２と、撹拌子２１３と、を備えている。分離機２２０は、開繊された炭素繊維を液体から分離する。分離機２２０は、ポンプ２２１、ろ過容器２２２、ガス供給配管２２３、廃液槽２２５、ろ過部２２６と、を備えている。分離機２２０は、例えば、加圧式ろ過機である。
【００２４】
まず、撹拌工程を実行するための撹拌機２１０について説明する。開繊槽２１１は、液体２１４を貯留する容器である。液体としては、水又は有機溶媒等を用いることができる。液体２１４には、熱分解したＣＦＲＰ４０が浸漬されている。すなわち、熱分解後の原料（ＣＦＲＰ）を開繊槽２１１内に移すことで、炭化物が付着した繊維を含む液体２１４が開繊槽２１１に貯留される。
【００２５】
また、開繊槽２１１内に撹拌子２１３が回転可能に設けられている。例えば、撹拌子２１３は、回転軸２１２に取り付けられている。撹拌子２１３は、撹拌翼やプロペラなどであり、液体２１４を撹拌する。すなわち、モータなどによって回転軸２１２を回転させることで、撹拌子２１３が回転する。開繊槽２１１内の液体２１４には、熱分解工程後の炭素繊維が浸されている。したがって、残留炭素が付着した炭素繊維に対して、せん断力のある撹拌を行うことができる。
【００２６】
このように、撹拌機２１０がミキサーとなって、液体２１４中の炭素繊維を撹拌する。こうすることで、炭素繊維が開繊する。すなわち、炭素繊維の繊維束を解すことができる。液体２１４中でせん断力のある撹拌を行っているため、炭素繊維の表面に付着した残留炭素を取り除くことができる。これにより、容易に開繊することができる。さらに、特許文献１のように、酸素雰囲気下で熱処理していないため、繊維の強度劣化を低減することができる。
【００２７】
撹拌機２１０にて、所定時間撹拌された液体２１４は、ポンプ２２１によって、ろ過容器２２２に移送される。ポンプ２２１は、例えばスラリーポンプである。ろ過容器２２２は、撹拌後の炭素繊維が液体とともに移送される。また、ポンプ２２１で移送される液体は、残留炭素粉を含んでいる。
【００２８】
ろ過容器２２２には、ろ過容器２２２内の空間を加圧するためのガス供給配管２２３が接続されている。ガス供給配管２２３には、空気又は窒素などのガスが供給される。これにより、ろ過容器２２２内の空間が加圧される。
【００２９】
さらに、ろ過容器２２２の内部には、ろ過部２２６が配置されている。ろ過部２２６は、ろ過容器２２２内において、多段に配置されている。ろ過部２２６は、ろ過を行うためのフィルタを有している。ろ過部２２６のフィルタとしては、例えば、所定の大きさの金網を用いることができる。ここでは、３０メッシュの金網を用いている。炭素繊維を含む液体をろ過部２２６に通すことにより、炭素繊維がろ過される。そして、金網を通った液体は、廃液として廃液槽２２５に排出される。廃液槽２２５には、残留炭素粉を含む廃液が貯留される。
【００３０】
また、ろ過容器２２２の下部には、開閉可能に設けられた取り出し口２２２ａが設けられている。廃液槽２２５に液体を取り出した後、ろ過部２２６の金網を回転させる。こうすることで、金網上の炭素繊維がろ過容器２２２の下部に振り落とされる。そして、ろ過容器２２２の下部の取り出し口２２２ａを開けることで、ろ過容器２２２から開繊された炭素繊維が取り出される。分離機２２０が液体と炭素繊維とを分離することで、炭素繊維をリサイクルすることができる。
【００３１】
上記のように、加熱分解工程後、ＣＦＲＰの炭素繊維を液体中で撹拌することで、炭素繊維を容易に開繊することができる。すなわち、撹拌により、表面に付着した残留炭素を除去することができるため、炭素繊維が解れやすくなる。また、酸素雰囲気化で炭素繊維を熱処理していないため、リサイクル後の繊維強度の劣化を防ぐことができる。ＣＦＲＰを原料として、強度の高い炭素繊維を製造することができる。また、窒素ガスなどを供給して熱処理する必要がないため、処理コストを低減することができる。
【００３２】
（実施例）
以下、第２の工程の実施例１について説明する。実施例では、炭化乾留炉１０１で熱処理した３０ｇのＲＣＦ（リサイクルカーボンファイバ）を装置２００で、２回開繊した。１回目の開繊では、開繊槽２１１に１５０ｇの水を貯留した。そして、１５０ｇの水に３０ｇのＲＣＦを浸した。ＰＲＩＭＩＸ製のホモミキサー（Ｔ．Ｋ．ＡＵＴＯ  ＭＩＸＥＲ）を用いて、４０００ｒｐｍで液体２１４を１０分間撹拌した。ろ過部２２６においては、３０メッシュの金網を用いて、残留炭素粉と水から開繊炭素繊維を分離して、ウェット開繊炭素繊維を得た。
【００３３】
１回目の開繊で得られた開繊炭素繊維を１２０ｇの水が貯留されている開繊槽２１１に移した。２回目の開繊では、１回目の開繊よりも回転速度を高くした。例えば、ＰＲＩＭＩＸ製のホモミキサー（Ｔ．Ｋ．ＡＵＴＯ  ＭＩＸＥＲ）を用いて、７０００ｒｐｍで１０分間撹拌した。
【００３４】
２回の開繊後のＲＣＦの重量を測定したところ、開繊前のＲＣＦに比べて、５．６％の残留炭素分が減量した。
【００３５】
リサイクル処理前において、単繊維強度が３９４９ＭＰａの炭素繊維を本実施形態の処理方法、及び特許文献１の処理方法により処理した。本実施の形態によってリサイクルした炭素繊維の単繊維強度は３８６０ＭＰａであった。一方、特許文献１のように、炭化乾留工程後、酸素雰囲気で加熱処理した場合、単繊維強度は３３００ＭＰａとなり、処理前の炭素繊維強度より低下してしまっていた。本実施の形態によって、炭素繊維を再処理することで、繊維強度の劣化を低減することができた。
【００３６】
なお、ホモミキサーに対する負荷を軽減するために、回転速度を徐々に上げるようにしてもよい。これにより、トルクが上がりすぎて、ホモミキサーが止まるのを防ぐことができる。
【００３７】
なお、ＰＲＩＭＩＸ製のホモミキサー（Ｔ．Ｋ．ＡＵＴＯ  ＭＩＸＥＲ）の代わりに、日立社製ＶＡ−Ｇ１８を用いても、同様の処理を行うことができる日立社製ＶＡ−Ｇ１８を用いた場合、１回目と２回目の開繊は、それぞれ９５００ｒｐｍで２分間撹拌した。また、液体２１４の温度を高くすることで、粘度を下げることができる。こうすることで、ホモミキサーへの負荷を軽減することができる。
【００３８】
なお、上記の説明では、分離機２２０として、加圧式ろ過機を用いたが、加圧式以外の自然ろ過機、減圧濾過機、遠心ろ過機等を用いることも可能である。あるいは、脱水分離や遠心分離などにより、液体から炭素繊維を分離してもよい。なお、繊維含有樹脂のマトリックス樹脂としては、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂を用いることができる。繊維含有炭素に含まれる繊維は、炭素繊維に限られるものではない。すなわち、本実施の形態に係る処理方法、及び処理装置によって、炭素繊維以外の繊維を含む繊維含有樹脂を処理することができる。
【００３９】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００４０】
２００  装置
２１０  撹拌機
２１１  開繊槽
２１２  回転軸
２１３  撹拌子
２１４  液体
２２０  分離機
２２１  ポンプ
２２２  ろ過容器
２２３  ガス供給配管
２２５  廃液槽
２２６  ろ過部
【図１】
0005947828.tif 000002
【図２】
0005947828.tif 000003