(57)【要約】【課題】迅速に再生炭素繊維を製造する再生炭素繊維の製造装置及び製造方法を提供する。【解決手段】本発明の再生炭素繊維の製造装置は、炭化乾留炉１を備えている。炭化乾留炉１は、箱状の本体部１０と、本体部１０の内部に形成されている炭化乾留室１１と、炭化乾留室１１の下方に配置されており、バーナー１４を備えている燃焼室１２と、本体部１０と炭化乾留室１１との間に形成されている加熱室１３と、炭化乾留室１１で発生した乾留ガスをバーナー１４に供給する乾留ガス燃焼用配管１５とを備えており、炭化乾留室１１が、加圧状態に維持される。最も好ましい加圧条件は、ゲージ圧力として０．２ｋＰａ以上１５ｋＰａ以下である。【選択図】図１
2019039103.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化乾留炉を備えた再生炭素繊維の製造装置であって、
前記炭化乾留炉が、
箱状の本体部と、
前記本体部の内部に形成されている炭化乾留室と、
前記炭化乾留室の下方に配置されており、バーナーを備えている燃焼室と、
前記本体部と前記炭化乾留室との間に形成されている加熱室と、
前記炭化乾留室で発生した乾留ガスを前記バーナーに供給する乾留ガス燃焼用配管と、
を備えており、
前記炭化乾留室を加圧状態に制御することを特徴とする再生炭素繊維の製造装置。
【請求項２】
前記炭化乾留室の圧力を、ゲージ圧力として０．２ｋＰａ以上１５ｋＰａ以下に制御することを特徴とする請求項１に記載の再生炭素繊維の製造装置。
【請求項３】
前記乾留ガス燃焼用配管が乾留ガスの流量制御手段を備えており、
前記流量制御手段が、前記炭化乾留室からバーナーに供給する乾留ガスの流量を制御することで、前記炭化乾留室の圧力を制御することを特徴とする請求項１または２記載の再生炭素繊維の製造装置。
【請求項４】
炭素繊維強化プラスチックを原料とした再生炭素繊維の製造方法であって、
炭化乾留炉の炭化乾留室内に炭素繊維強化プラスチックを収容する工程と、
前記炭化乾留室を加圧状態に制御して、炭素繊維強化プラスチックを加熱する乾留工程と、
を備えていることを特徴とする再生炭素繊維の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維強化プラスチックを原料として再生炭素繊維を製造する製造装置および製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維は、鉄やアルミニウムよりも軽量であり、高強度で腐食しないという特徴を有しており、繊維単体や織布の原材料として用いられる。また炭素繊維は、「炭素繊維強化プラスチック（以下、ＣＦＲＰとも言う）」の原材料として用いられる。
【０００３】
ＣＦＲＰは、炭素繊維にエポキシ樹脂やポリエステル樹脂を含浸し硬化して製造される。ＣＦＲＰの製造工程では多くの端材が発生する。特に、航空機の機体や自動車部品といった大きな製品を製造する場合には大量の端材が発生する。炭素繊維は高価で用途の広い素材であるので、端材や規格外品から樹脂のみを除去し、炭素繊維を取り出して再利用する技術が求められている。
【０００４】
本願の発明者らは、炭素繊維強化プラスチックのマトリックス樹脂を除去して再生炭素繊維を製造する方法として、樹脂を熱分解して再生炭素繊維を製造する方法を発明し、特許文献１に開示した。特許文献１に開示した再生炭素繊維の製造技術は、バッチ式の炭化乾留炉を用いた加熱と、連続式炉を用いた加熱の二段階の熱分解によってマトリックス樹脂を除去し、繊維長の長い炭素繊維状態を維持した再生炭素繊維を製造することができる。特許文献１の再生炭素繊維の製造装置及び製造方法は、炭化乾留炉による加熱時に、１００℃以上７００℃以下の水蒸気を供給することを特徴とする。
【０００５】
特許文献２には、炭素繊維強化プラスチックを８００℃以上の過熱水蒸気によって処理することにより、プラスチックの６８〜８０％を除去した状態で炭素繊維を回収する技術が開示されている。特許文献３には、過熱水蒸気を製造するヒータ部と、製造された水蒸気を導入する導入部と、炭素繊維強化プラスチックを保持する保持部を備えた回収装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開第２０１３−０６４２１９号公報
【特許文献２】特開第２０１１−１２２０３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示した再生炭素繊維の製造装置及び製造方法は、長さや厚さの異なるＣＦＲＰを原料として、繊維長の長い再生炭素繊維を製造する優れた技術である。しかしながら特許文献１の技術においては、バッチ式である炭化乾留炉の加熱時間が、２時間から２４時間と比較的長くかかっていた。このため、炭化乾留炉の加熱時間をより短縮し、より製造効率を高める技術が求められていた。
【０００８】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、従来よりも炭化乾留炉の加熱時間を短縮して、再生炭素繊維を効率的に製造する技術を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、再生炭素繊維の製造装置に関する。本発明の再生炭素繊維の製造装置は、炭化乾留炉を備えている。この炭化乾留炉は、箱状の本体部と、本体部の内部に形成された炭化乾留室と、炭化乾留室の下部に配置されておりバーナーを備えている燃焼室と、本体部と炭化乾留室との間に形成された加熱室と、炭化乾留室で発生した乾留ガスをバーナーに供給する乾留ガス燃焼用配管と、を備えている。本発明の再生炭素繊維の製造装置は、炭化乾留炉を加圧状態に制御することを特徴とする。
【００１０】
ここで、炭化乾留室を加圧状態に制御するとは、炭化乾留室の内部の圧力を、大気圧よりも高い状態に制御することを言う。
【００１１】
本発明の再生炭素繊維の製造装置は、炭化乾留室の圧力を、ゲージ圧力として０．２ｋＰａ以上１５ｋＰａ以下に制御することが好ましい。
【００１２】
本発明の生成炭素繊維の製造装置は、炭化乾留炉の乾留ガス燃焼用配管が乾留ガスの流量制御手段を備えている。そして、流量制御手段が、炭化乾留室からバーナーに供給する乾留ガスの流量を制御することで、炭化乾留室の圧力を制御することが好ましい。
【００１３】
本発明はまた、炭素繊維強化プラスチックを原料として、再生炭素繊維を製造する方法を提供する。本発明の再生炭素繊維の製造方法は、炭化乾留炉の炭化乾留室内に炭素繊維強化プラスチックを収容する工程と、炭化乾留室を加圧状態に制御して炭素繊維強化プラスチックを加熱する乾留工程と、を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の再生炭素繊維の製造装置および製造方法は、炭化乾留炉の炭化乾留室の炭化乾留室を加圧状態とすることで、より短時間で従来と同等の品質を有する再生炭素繊維を製造することができる。特に、厚みのある炭素繊維強化プラスチックであっても、加圧状態で加熱することで、より迅速にマトリックス成分のプラスチックを除去することが可能となる。
【００１５】
本発明の再生炭素繊維の製造装置は、炭化乾留室をゲージ圧力として０．２ｋＰａ以上１５ｋＰａ以下に制御することにより、安定して炭素繊維強化プラスチックを炭化乾留して再生炭素繊維を製造することができる。
【００１６】
本発明の再生炭素繊維の製造装置および製造方法は、炭化乾留室での加熱時間を短縮できることで、加熱に用いる燃料を削減し、より低コストで再生炭素繊維を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の再生炭素繊維の製造装置の一部である炭化乾留炉１の概要を示す縦断面図である。
【図２】本発明の炭化乾留室１０のゲージ圧力を４ｋＰａに制御した時の炭化乾留炉１内の温度の経時変化を示す図である。
【図３】本発明の炭化乾留室１０のゲージ圧力を０．４ｋＰａに制御した時の炭化乾留炉１内の温度の経時変化を示す図である。
【図４】本発明の炭化乾留室１０のゲージ圧力を１５ｋＰａに制御した時の炭化乾留炉１内の温度の経時変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る再生炭素繊維の製造装置の構造と、再生炭素繊維の好適な製造方法の形態を説明する。
【００１９】
［再生炭素繊維の製造装置］
本発明の再生炭素繊維の製造装置は、炭化乾留炉１を備えている。本実施形態の炭化乾留炉１の縦断面図を図１に示す。炭化乾留炉１は、箱状の本体部１０を備えている。本体部１０の内部に、原料のＣＦＲＰを収容して再生炭素繊維を製造するための加熱処理を行う炭化乾留室１１が形成されている。炭化乾留室１１の下方には燃焼室１２が形成されている。本体部１０と炭化乾留室１１との間の空間には、加熱室１３が形成されている。
【００２０】
本体部１０と炭化乾留室１１の外壁とは、いずれも耐熱性の金属で形成されている。本体部１０の正面には開口部が設けられており、この開口部の位置は炭化乾留室１１の開口部の位置と整合している。本体部１０の開口部と炭化乾留室１１の開口部とは、図示されない一つの封止扉を閉じることによって同時に封止することができ、炭化乾留室１１の内部を無酸素状態で加熱することが可能となる。
【００２１】
燃焼室１２はバーナー１４を備えており、バーナー１４の燃焼によって加熱室１３と炭化乾留室１１を加熱することができる。燃焼室１２と炭化乾留室１１の内部とを連通する乾留ガス燃焼用配管１５が設けられており、再生炭素繊維の製造中にＣＦＲＩから発生する乾留ガスを燃焼室１２に導入することができる。乾留ガス燃料用配管１５の燃焼室１２側の開口部に、送風手段であるブロワー１６が配置されている。
【００２２】
乾留ガス燃料用配管１５は、流量制御手段２０を備えている。本実施形態における流量制御手段２０は、バルブである。流量制御手段２０は、炭化乾留室１１から燃焼室１２に導入する乾留ガスの流量を制御することによって、炭化乾留室１１の圧力を制御する。バルブの開放量を少なくすれば乾留ガスがより多く炭化乾留室１１に滞留し、炭化乾留室１１の圧力をあげることができる。逆に、バルブの開放量を増やせば、炭化乾留室１１の圧力を下げることができる。炭化乾留室１１の圧力扉には圧力ゲージ３０が取り付けられており、炭化乾留室１１の内部の圧力を測定する。圧力ゲージ３０の測定値に基づいて、流量制御手段２０による乾留ガスの流量制御が行われる。
【００２３】
必須ではないが、本発明の炭化乾留炉１は、過熱水蒸気を炭化乾留室１１に供給するための手段を備えている。本実施形態における炭化乾留炉１は、外部ボイラー１７と、加熱室１３内に配置されている過熱水蒸気発生装置１８と、外部ボイラー１７から過熱水蒸気発生装置１８を経由して炭化乾留室１１の内部に至る水蒸気配管１９によって、過熱水蒸気を供給する。過熱水蒸気発生装置１８として、たとえば熱交換器を使用することができる。外部ボイラー１７が、水蒸気を予熱して加熱室１３内の過熱水蒸気発生装置１８に供給し、この水蒸気が過熱水蒸気発生装置１８で過熱水蒸気となって炭化乾留室１１に供給される。過熱水蒸気の供給により、ＣＦＲＰの樹脂の分解が促進される。特に過熱水蒸気を供給した場合、加圧状態では板厚の厚いＣＦＲＰにより深く過熱水蒸気が浸透するので、迅速で均一なプラスチックの除去が可能となる。
【００２４】
炭化乾留炉１は、複数の温度センサを備えており、定期的に温度を測定する。温度センサの配置の好ましい一実施形態として、燃焼室１２内と、加熱室１３の側壁と、炭化乾留室１１の左右の側壁とに、それぞれ温度センサ２３，２４，２５，２６が配置されて、定期的に温度を測定する。炭化乾留炉１は、燃焼室１２と加熱室１３に分岐路によってそれぞれ連通する熱風放出ダクト２１を備えている。熱風放出ダクト２１には、燃焼室１２と加熱室１３との間のそれぞれの通路にダンパー２２が設けられている。温度センサ２３，２４，２５，２６の測定結果に基づいて、ダンパー２２の開閉量を制御することによって、炭化乾留室１１の温度を制御することができる。
【００２５】
［再生炭素繊維の製造方法］
本発明の炭化乾留炉１を用いて炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を原料とした再生炭素繊維を製造する方法は、炭化乾留室１１内に炭素繊維強化プラスチックを収容する工程と、炭化乾留室１１の圧力をゲージ圧力として０．２ｋＰａ以上１５ｋＰａ以下に制御して、炭素繊維強化プラスチックを加熱する乾留工程と、を備えている。
【００２６】
ＣＦＲＰは、炭化乾留室１１内に設けられた図示しない耐熱棚に収容される。炭化乾留室１１を封止扉によって封止して全体を加熱することで、炭化乾留室１１の内部を無酸素状態に維持した状態でＣＦＲＰを加熱することが可能となる。炭化乾留室１１の加熱は、燃焼室１２のバーナー１４を燃焼させて、燃焼室１２から加熱室１３に輻射熱を供給し、この輻射熱で炭化乾留室１１を加熱することで行われる。
【００２７】
無酸素状態で２００℃以上に加熱された原料のＣＦＲＰは、マトリックス成分である樹脂が熱分解して可燃ガスであるメタンやベンゼン等の炭化水素ガスを発生させる。この樹脂成分由来の炭化水素を含むガスが、乾留ガスである。発生した乾留ガスは、炭化乾留室１１から乾留ガス燃焼用配管１５を通過して、ブロアー１６によって空気と混合され、燃焼室１２で燃焼する。乾留ガスの燃焼熱は、炭化乾留室１１の昇温と温度維持に用いられる。
【００２８】
乾留ガス燃焼用配管１５に設けられた流量制御手段２０によって、炭化乾留室１１から燃焼室１２に流出する乾留ガスの流量を制御することで、炭化乾留室１１の圧力を制御することが可能となる。流量制御手段２０であるバルブを大きく開放して流量を大きくすれば、炭化乾留室１１の圧力を下げることができる。流量制御手段２０であるバルブを閉じて流量を減らすことで、炭化乾留室１１の圧力を上げることができる。炭化乾留室１１の圧力をゲージ圧力として０．２ｋＰａ以上１５ｋＰａに制御することにより、大気圧の条件で乾留を行った場合よりも、より迅速にＣＦＲＰの樹脂成分を分解して再生炭素繊維を製造することができる。
【００２９】
本発明の再生炭素繊維の製造装置において、炭化乾留室１１の圧力をゲージ圧力として０．２ｋＰａ未満の圧力に維持することは困難であった。また、目標圧力をゲージ圧力で０．１ｋＰａに設定して再生炭素繊維を製造した場合、大気圧で加熱を行った場合と同等の加熱時間が必要となり、加熱時間の短縮効果が認められなかった。
【００３０】
本発明の再生炭素繊維の製造装置において、炭化乾留室１１の圧力をゲージ圧力として１５ｋＰａよりも高く維持して加熱した場合、炭化乾留室１１が膨張し、形状の維持が難しくなるという問題があった。これに対して、以下に示す実施例の０．２ｋＰａ以上１５ｋＰａ以下の加圧条件では、いずれも安定した再生炭素繊維の製造が可能であった。
【００３１】
以下に、炭化乾留室１１の目標圧力を、ゲージ圧力として４ｋＰａに設定して乾留工程を実施した例を、実施例1として示す。炭化乾留室１１の目標圧力をゲージ圧力として０．２ｋＰａに設定して乾留工程を実施した例を、実施例２として示す。炭化乾留室１１の目標圧力をゲージ圧力として１５ｋＰａに設定して乾留工程を実施した例を、実施例３として示す。
【実施例】
【００３２】
[実施例１]
図２に、８００ＫｇのＣＦＲＰを原料として６０６Ｋｇの再生炭素繊維を製造した乾留工程の、経過時間と温度および圧力の測定値を示す。本実施例では、炭化乾留室１１の目標圧力をゲージ圧力として４ｋＰａに設定し、目標温度を２００℃〜６００℃として製造を行った。
【００３３】
本実施例では、再生炭素繊維の製造には、５時間２０分の加熱時間が必要であった。乾留工程の開始と共に、燃料が供給されたバーナー１４の燃焼によって炭化乾留室１１が昇温される。炭化乾留室１１が充分に高温となると、これらの乾留ガスは、乾留ガス燃焼用配管１５を経由して燃焼室１２に到達して燃焼し、炭化乾留炉１の温度の維持に貢献する。乾留ガス燃焼用配管１５の流量制御手段２０すなわちバルブの開閉量を制御することで、炭化乾留室１１の圧力を、１ｋＰａから４ｋｐａの範囲で５時間２０分制御することができた。その後１７時間冷却することで、６０６Ｋｇの再生炭素繊維を製造した。製品としての歩留まりは、７５．８％であった。
【００３４】
本実施例では、再生炭素繊維の製造のために、燃焼室１２で９８リットルの灯油を消費し、また炭化乾留室１１に過熱水蒸気を供給するために外部ボイラー１７で４３リットルの灯油を消費した。灯油の合計消費量は１４１リットルであった。
【００３５】
［実施例２］
図３に、炭化乾留室１１の圧力をより低く設定して再生炭素繊維を製造した場合の、乾留工程の温度と圧力条件を示す。本実施例では、炭化乾留室１１の目標圧力をゲージ圧力として０．２ｋＰａに設定し、目標温度は実施例１と同じく２００℃〜６００℃として製造を行った。本実施例においても、８００ＫｇのＣＦＲＰを原料として、実施例１とほぼ同量の６０８Ｋｇの再生炭素繊維を製造した。
【００３６】
本実施例では、再生炭素繊維の製造には、６時間の加熱時間が必要であった。その間、炭化乾留室１１の圧力は、乾留ガスの発生量の一時的な変化に伴い、最大０．６ｋｐａとなったが、ほぼ０．２〜０．４ｋＰａの範囲で制御することができた。その後１６時間冷却することで、６０８Ｋｇの再生炭素繊維を製造した。製品としての歩留まりは、７６．０％であった。
【００３７】
本実施例では、再生炭素繊維の製造のために、燃焼室１２で２１０リットルの灯油を消費し、また炭化乾留室１１に過熱水蒸気を供給するために外部ボイラー１７で５４リットルの灯油を消費した。灯油の合計消費量は２６４リットルであった。
【００３８】
[実施例３]
図４に、炭化乾留室１１の目標圧力をゲージ圧力として１５ｋＰａに設定した場合の、乾留工程の温度と圧力条件を示す。本実施例においても、８００ＫｇのＣＦＲＰを原料として、実施例１とほぼ同量の６０７Ｋｇの再生炭素繊維を製造した。
【００３９】
本実施例では、再生炭素繊維の製造には、５時間５分の加熱時間が必要であった。目標圧力は１５ｋＰａに設定したが、炭化乾留室１１で実際に測定したゲージ圧力は、加熱開始から３時間経過まではほぼ９〜１５ｋＰａであり。加熱時間が３時間から５時間までの間はほぼ１〜８ｋＰａの範囲であった。その後１７時間冷却することで、６０７Ｋｇの再生炭素繊維を製造した。製品としての歩留まりは、７５．８％であった。
【００４０】
本実施例では、再生炭素繊維の製造のために、燃焼室１２で７４リットルの灯油を消費し、また炭化乾留室１１に過熱水蒸気を供給するために外部ボイラー１７で４０リットルの灯油を消費した。灯油の合計消費量は１１４リットルであった。
【００４１】
実施例１から３の間で、再生炭素繊維の強度、解繊度、およびその他の品質に差異は認められなかった。このことから、圧力をより高く維持することで、より短時間で同等の品質の再生炭素繊維を製造できることが明らかとなった。一方、実施例３では、炭化乾留室１１の目標圧力を１５ｋＰａに設定した場合でも、特に加熱工程の後半で圧力が徐々に下がることから、目標圧力を高く設定した場合に加熱工程全体を通した圧力の維持は難しく、また反応時間の短縮効果も限定的になることが明らかとなった。
【００４２】
［比較例］
流量制御手段２０を用いず、炭化乾留室１１を大気圧と同等の条件に維持した以外は全て同等の条件で再生炭素繊維を製造した場合、８００ＫｇのＣＦＲＰから６００Ｋｇの再生炭素繊維を製造するためには、６時間２０分の乾留工程が必要となった。実施例１から３に示したとおり、炭化乾留室１を加圧状態として再生炭素繊維を製造する方法の効果は明らかである。
【００４３】
以上、本発明について好適な実施形態および実施例を挙げて説明したが、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計の変更が可能である。たとえば、加圧条件の制御には、流量制御手段２０で乾留ガスの流量を制御する以外に、加熱水蒸気の供給量を制御したり、乾留ガス燃焼用配管１５を複数設けてその開閉を制御する方法を用いることができる。
【符号の説明】
【００４４】
１    炭化乾留炉
１１  炭化乾留室
１２  燃焼室
１３  加熱室
１４  バーナー
１５  乾留ガス燃焼用配管
１６  ブロワー
１７  外部ボイラー
１８  過熱水蒸気発生手段
１９  水蒸気配管
２０  流量制御手段
２１  熱風放出ダクト
２３，２４，２５，２６  温度計測センサ
３０  圧力ゲージ
【図１】
2019039103.tif 000003
【図２】
2019039103.tif 000004
【図３】
2019039103.tif 000005
【図４】
2019039103.tif 000006