(57)【要約】【課題】  粉砕などの前処理なしに炭素繊維強化プラスチックを分解することができ、かつ分解生成物を再利用可能な炭素繊維強化プラスチックの分解方法を提供する。【解決手段】  炭素繊維強化プラスチックを、熱とＯＨラジカルとを併用して分解する、炭素繊維強化プラスチックの分解方法。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維強化プラスチックを、熱とＯＨラジカルとを併用して分解する、炭素繊維強化プラスチックの分解方法。
【請求項２】
前記分解が、水中プラズマを用いて行われる、請求項１に記載の炭素繊維強化プラスチックの分解方法。
【請求項３】
前記水中プラズマを、直流放電により発生させる、請求項２に記載の炭素繊維強化プラスチックの分解方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の炭素繊維強化プラスチックの分解方法を用いて炭素繊維強化プラスチックを分解してカーボンブラックとする、カーボンブラックの製造方法。
【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の分解方法に関する。また、本発明は、前記分解方法を利用したカーボンブラックの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）は、軽量かつ高強度であるため、船舶、航空機などの素材として幅広く用いられている。また、その用途は自動車車体などにも広がりつつあり、その生産量は年々増加している。
【０００３】
これに伴い、不要となった炭素繊維強化プラスチック（廃ＣＦＲＰ）を適切に処理する方法が求められている。
【０００４】
例えば、特許文献１では、鋼の製造における炭素源として廃ＣＦＲＰを用いることが提案されている。具体的には、廃ＣＦＲＰを粉砕した後、製鋼用電気炉に装入し、５０００℃程度の高温下でＣＦＲＰを溶融、分解して炭素源として利用する。
【０００５】
また、特許文献２では、廃ＣＦＲＰのマトリックスを構成する樹脂を熱分解によってガス化し、炭素繊維のみを回収してリサイクルする方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−０２１１７７号公報
【特許文献２】特開２０１３−２３７７１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１、２に記載されているような従来のリサイクル方法には、以下に述べるような問題があった。
【０００８】
例えば、特許文献１で提案されているような製鋼工程における炭素源としてＣＦＲＰを使用する方法では、ＣＦＲＰを燃焼させて炭素としている。したがって、前記方法は、いわゆるサーマルリサイクルに近い技術であり、材料自体を再利用できるわけではない。また、製鋼工程における利用に限られるという問題もある。
【０００９】
また、特許文献２に記載されているように、熱分解によってマトリックス樹脂をガス化する方法では、炭素繊維を回収することができたとしても、樹脂がガス化するほどの高温にさらされているため、物性（強度など）が劣化している。また、十分に反応させるためには、廃ＣＦＲＰを粉砕または裁断して処理する必要があるため、回収される炭素繊維は短いものとなる。したがって、前記方法によれば、炭素繊維を回収することができるが、回収された炭素繊維の用途は限られている。
【００１０】
また、その他にもいくつかの分解方法が提案されているが、いずれの方法も、前処理として粉砕を行う必要がある、あるいは特殊な溶媒や触媒が必要であるといった問題があった。
【００１１】
上記のような問題のため、実際には、大部分の廃ＣＦＲＰがリサイクルされずに埋め立て処分されているのが実状である。そのため、粉砕などの前処理なしに炭素繊維強化プラスチックを分解することができ、かつ分解生成物を再利用可能な炭素繊維強化プラスチックの分解方法が求められている。
【００１２】
本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであり、粉砕などの前処理なしに炭素繊維強化プラスチックを分解することができ、かつ分解生成物を再利用可能な炭素繊維強化プラスチックの分解方法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】
【００１３】
本発明の要旨構成は以下のとおりである。
【００１４】
１．炭素繊維強化プラスチックを、熱とＯＨラジカルとを併用して分解する、炭素繊維強化プラスチックの分解方法。
【００１５】
２．前記分解が、水中プラズマを用いて行われる、上記１に記載の炭素繊維強化プラスチックの分解方法。
【００１６】
３．前記水中プラズマを、直流放電により発生させる、上記２に記載の炭素繊維強化プラスチックの分解方法。
【００１７】
４．上記１〜３のいずれか一項に記載の炭素繊維強化プラスチックの分解方法を用いて炭素繊維強化プラスチックを分解してカーボンブラックとする、カーボンブラックの製造方法。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、プリプレグの状態のものを含めた炭素繊維強化プラスチックを、そのマトリックス樹脂の種類などを問わず、カーボンブラックとガスへ分解することができる。本発明の方法では、処理対象となる炭素繊維強化プラスチックを、予め細かく粉砕することなく処理することが可能である。また、分解生成物としてのカーボンブラックやガスを回収すれば、資源として再利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例で使用した分解装置の構造を示す模式図である。
【図２】実施例で使用した分解装置におけるノズルの構造を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を実施する方法を具体的に説明する。
【００２１】
本発明においては、炭素繊維強化プラスチックを、熱とＯＨラジカルとを併用して分解することが重要である。
【００２２】
［炭素繊維強化プラスチック］
前記炭素繊維強化プラスチックとしては、特に限定されることなく、任意のものを用いることができる。前記炭素繊維強化プラスチックのマトリックス樹脂は、熱硬化性樹脂であっても、熱可塑性樹脂であってもよい。また、前記炭素繊維強化プラスチックに含まれる炭素繊維は、ＰＡＮ系炭素繊維およびピッチ系炭素繊維のいずれであってもよい。なお、本発明における「炭素繊維強化プラスチック」には、焼成前のプリプレグの状態のものも包含するものとする。
【００２３】
前記炭素繊維強化プラスチックの形状および寸法は特に限定されず、任意の形状、寸法であってよい。本発明の方法においては、事前に炭素繊維強化プラスチックに粉砕などの前処理を施す必要は無いが、施してもよい。
【００２４】
［分解処理］
本発明の方法では、熱とＯＨラジカルとを併用して炭素繊維強化プラスチックを分解する。言い換えると、本発明の方法では、熱分解とＯＨラジカルとによる分解とが同時に進行することにより、炭素繊維強化プラスチックが分解される。
【００２５】
［熱分解］
上記熱分解を行う温度は特に限定されず、炭素繊維強化プラスチックが分解できる温度であればよい。熱分解を生じさせるための高温は、任意の方法で発生させることができるが、後述するようにプラズマによって発生させることが好ましい。
【００２６】
［ＯＨラジカル］
本発明の方法では、単に熱分解するのではなく、ＯＨラジカルとの反応による分解を併用することが重要である。ここで、ＯＨラジカルは、ヒドロキシラジカルとも呼ばれ、ＯＨ基に対応するラジカルであり、活性酸素の一種でもある。ラジカルは不対電子を持つため反応性が極めて高いが、なかでもＯＨラジカルは酸化力が高く、活性酸素中で最も高い酸化電位を有している。このＯＨラジカルを熱と併用することにより、炭素繊維強化プラスチックを効果的に分解することができる。
【００２７】
［水中プラズマ］
上記熱とＯＨラジカルの供給方法は特に限定されず、任意の方法を用いることができるが、水中プラズマを用いることが好ましい。この水中プラズマとは、水中で放電を行って熱プラズマを発生させる方法であり、７０００〜１００００℃程度の高温が得られる。また、その際、水蒸気の存在下でプラズマを発生させることにより、ＯＨラジカルを同時に生成することができる。したがって、水中プラズマを用いれば、炭素繊維強化プラスチックの分解に利用できる熱とＯＨラジカルの両者を効果的に得ることができる。なお、水中プラズマの温度は、例えば、発光分光分析装置により、Ｈα、Ｈβなどの水素スペクトルの強度を計測することで測定することができる。
【００２８】
上述したように、水中プラズマでＯＨラジカルを発生させるためには、水蒸気を使用する。前記水蒸気は、任意の方法で調製すればよく、例えば、蒸気ボイラなどを用いることができる。また、水蒸気以外のガスをキャリアガスとして併用することもできる。前記キャリアガスとしては、プラズマを発生できるガスであれば任意のガスを用いることができるが、Ａｒガスを用いることが好ましい。
【００２９】
水中プラズマを発生させるための放電は、直流放電で行うことが好ましく、直流アーク放電で行うことがより好ましい。放電の条件は特に限定されず、水中プラズマが発生し、それによって熱とＯＨラジカルによる分解が進行するように調整すればよい。電流値および電圧値の最適値はノズル２０の構造によって変化する。
【００３０】
水中プラズマを使用する場合、水を入れた容器内に被処理物である炭素繊維強化プラスチックを設置し、該炭素繊維強化プラスチックと接触するように水中プラズマを発生、供給すればよい。例えば、被処理物より下方の水中にガス供給部とプラズマ発生部とを設置し、少なくとも水蒸気を含有するガスを供給しながら放電を起こしてプラズマを発生させる。ガスの供給に金属製のノズルを使用し、前記ノズルを放電用の電極として使用することが好ましい。その場合、金属製のノズルはプラズマの高温に晒されるが、水中に浸漬されていることによって冷却されるため、ノズルの損耗を抑制することができる。また、水中で処理することにより、粉塵を発生させることなく分解を行うことができる。
【００３１】
［カーボンブラック］
本発明の方法では、炭素繊維強化プラスチックは分解されて、一部がカーボンブラックとなる。水中プラズマを用いて分解を行った場合、前記カーボンブラックは、主に沈殿した状態で得られる。そのため、ろ過や乾燥などを行って前記カーボンブラックを回収し、素材として利用することができる。
【００３２】
［気体］
また、本発明の分解方法では、分解生成物として気体が発生する。前記気体には、Ｈ2、ＣＯ、ＣＯ2、炭化水素などが含まれる。前記炭化水素としては、例えば、メタン、エチレン、アセチレンなどが挙げられる。水中プラズマを用いて分解を行った場合、前記分解生成物としての気体は、プラズマを発生させるために使用した水蒸気の残部やキャリアガスとともに回収される。上記気体を回収し、必要に応じて分離すれば、燃料等として利用することができる。また、キャリアガスを分離して分解処理に再利用することもできる。
【実施例】
【００３３】
本発明の効果を確認するために、熱とＯＨラジカルを併用した炭素繊維強化プラスチックの分解を実施した。
【００３４】
（発明例）
図１に、本実施例で使用した炭素繊維強化プラスチック分解装置１の構造の概略を示す。処理容器１０の内部には、冷却のための水１１が収容されている。水１１の中には、被処理物としての炭素繊維強化プラスチック基板１２が、図示されない治具によって固定されている。
【００３５】
炭素繊維強化プラスチック基板１２の下方、処理容器１０の底部には、ノズル２０が設置されている。ノズル２０は水中プラズマを発生させる機能を有しており、直流電源３０、水蒸気供給装置４０、キャリアガス供給装置５０に接続されている。水蒸気供給装置４０としては蒸気ボイラを使用した。また、キャリアガスとしてはＡｒガスを使用した。
【００３６】
図２は、ノズル２０の構造を示す模式図である。ノズル２０は、ノズル基部２１と、先端の電極部２２からなる。ノズル基部２２はＣｕ製であり、ここで水蒸気供給装置４０から供給された水蒸気と、キャリアガス供給装置５０から供給されたＡｒガスが混合される。水蒸気とＡｒガスの混合比は、体積流量の比で、Ｈ2Ｏ：Ａｒ＝１：４とした。電極部２２は、円筒状のタングステン（Ｗ）陽極２２ａと、ノズルの中心軸に設けられた棒状のＷ陰極２２ｂとからなる。電極部２２は、直流電源３０に接続されており、Ｗ陽極２２ａとＷ陰極２２ｂとの間でアーク放電を起こさせることにより、水中プラズマが形成される。また、その際、水蒸気が供給されているため、プラズマの作用によってＯＨラジカルが生成する。
【００３７】
なお、処理条件は以下のとおりとした。
・Ｗ陰極の直径：２．４ｍｍ
・Ｗ陽極ノズルの内径：６．０ｍｍ
・ガス流量：５０Ｌ／分
・投入電流：５０Ａ
・ノズル先端と被処理基板との距離：１ｍｍ
【００３８】
以上の条件で直流アーク放電プラズマによる炭素繊維強化プラスチック基板の分解を実施した。なお、分解によって発生した気体は、処理容器１０に接続したガス冷却回収装置６０により回収した。実験は、同じ条件で３回実施した（Ｎｏ．１〜３）。
【００３９】
（比較例）
比較のため、水蒸気を供給しなかった点以外は上記発明例と同じ条件で、炭素繊維強化プラスチック基板の分解を試みた。実験は、同じ条件で３回実施した（Ｎｏ．４〜６）。
【００４０】
上記実施例と比較例のそれぞれにおいて、ＣＦＲＰの分解速度を測定した結果を表１に示す。この結果から分かるように、水蒸気を用いてＯＨラジカルを発生させたＮｏ．４〜６ではＣＦＲＰの分解が顕著に進行したが、水蒸気を用いず、ＯＨラジカルが発生しなかったＮｏ．１〜３ではＣＦＲＰの分解速度が１／１０以下と低く、ほとんど分解が進行しなかった。比較例においてもプラズマは発生していたことを考慮すると、単にプラズマのような高温に晒すのみでは不十分であり、ＯＨラジカルを併用することによって初めて実用的な速度で効果的にＣＦＲＰを分解することが可能となる。
【００４１】
【表１】
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【符号の説明】
【００４２】
１    炭素繊維強化プラスチック分解装置
１０    処理容器
１１    水
１２    炭素繊維強化プラスチック基板（被処理物）
２０    ノズル
２１    ノズル基部
２２    電極部
２２ａ  Ｗ陽極
２２ｂ  Ｗ陰極
３０    直流電源
４０    水蒸気供給装置
５０    キャリアガス供給装置
６０    ガス冷却回収装置
【図１】
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【図２】
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