(57)【要約】【課題】廃材や端材等を焼却し、その焼却の際の熱エネルギを回収する従来のサーマルリサイクルではなく、ＣＦＲＰ廃材のマトリックス樹脂を熱分解し、所望の炭素繊維束を取り出し、補強効果に優れ、マトリックス樹脂への分散性にも優れる、リサイクル炭素繊維束を提供する。【解決手段】ＣＦＲＰのマトリックス樹脂を熱分解して得られる炭素繊維束であって、樹脂残渣重量が炭素繊維束の０．１〜６％であることを特徴とする、リサイクル炭素繊維束。【選択図】図１
2017002125.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＦＲＰのマトリックス樹脂を熱分解して得られる炭素繊維束であって、樹脂残渣重量が炭素繊維束の０．１〜６％であることを特徴とする、リサイクル炭素繊維束。
【請求項２】
炭素繊維束のアスペクト比（炭素繊維束の長さ／炭素繊維束の幅）が１〜１０であることを特徴とする、請求項１に記載の炭素繊維束。
【請求項３】
該炭素繊維束に含まれる炭素繊維の平均長さが１〜１０ｍｍであることを特徴とする、請求項１または２に記載の炭素繊維束。
【請求項４】
炭素繊維束の嵩密度が０．２〜０．３４ｇ／ｃｃであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の炭素繊維束。
【請求項５】
熱処理する炭素繊維複合材料が廃材であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の炭素繊維束。
【請求項６】
熱処理工程における温度が３００〜７００℃である事を特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の炭素繊維束の製造方法。
【請求項７】
複数回の熱処理によって炭素繊維複合材料のマトリクス樹脂を熱分解し、樹脂残渣重量を炭素繊維束の０．１〜６％に制御することを特徴とする、炭素繊維束の製造方法。
【請求項８】
最終回の熱処理を空気雰囲気中にて実施することを特徴とする、請求項７に記載の炭素繊維束の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、再生炭素繊維及びその回収方法に関する。樹脂に炭素繊維を強化材として添加したＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ  Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ）から成る廃材のリサイクル化を図るとともに、含有炭素繊維を有効利用するための、ＣＦＲＰから成る廃材のリサイクル方法に関する。    
【背景技術】
【０００２】
ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ）とは、各種繊維（ガラス繊維やカーボン繊維等）で補強された樹脂をいい、耐熱性及び耐圧性に優れ強度の高い素材として、ロケットや航空機等に代表される高付加価値部品の他、各種日用品等に適用されるに至り、汎用的に用いられるようになっている。しかし、かかるＦＲＰから成る製品を製造する過程で発生する端材や屑、及び廃棄の対象とされるＦＲＰ製品から成る廃材は、その性質上、リサイクルが困難であり、一般に、破砕又は焼却した後に埋め立て処理されていた。
【０００３】
近年、埋め立て処分場の問題やエポキシ樹脂から発生する環境ホルモン等の問題等が社会問題化されてきているため、そのリサイクル技術の確立が強く求められており、廃材や端材等を焼却し、その焼却の際の熱エネルギを回収するサーマルリサイクルや、廃材を微粉砕して別の製品を製造する際の原材料に一部添加して再利用するマテリアルリサイクルを図ることが提案されていた。しかしながら、焼却後に残る炭素繊維は依然埋め立てなければならず、再利用の際の原材料への添加量も限られており、理想的なリサイクル技術ではなかった。特に、ＦＲＰのうち樹脂に炭素繊維を強化材として添加したＣＦＲＰについては、樹脂と炭素繊維との分別を図ることができず、また、ガラス繊維等を補強材とした他のＦＲＰに比べ、完全に溶融して成形するのが困難であるという事情から、リサイクル技術の確立が極めて難しいという問題があった。
【０００４】
上述のような問題を解決すべく、例えば、特許文献１には、炭化物の付着量が１０％以下としたＣＦＲＰのリサイクル方法に関して記載されている。しかし、付着量が１０％では炭素繊維束が強固に結びついているため分散性が悪く、混錬時に炭素繊維が開繊せず、マトリックス樹脂に均一に混ざらず、所望の物性が得られない可能性がある。また、粉砕物を層厚３００ｍｍ以内になるように、と記載されているが、層厚３００ｍｍでは厚すぎて、熱が伝わり切らず熱処理が不十分になる可能性があり、現実的ではない。
【０００５】
特許文献２に記載されたＣＦＲＰのリサイクル方法では、実施例において２回の熱処理で炭素繊維重量が約１．７％減少しており、炭素繊維自体が一部焼き飛ばされ、傷んでいることから、所望の物性が得られない可能性があり、現実的ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３０７１２１号公報
【特許文献２】特許第３２８３９６７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ＣＦＲＰ廃材のマトリックス樹脂を熱分解し、所望の炭素繊維束を取り出し、補強効果に優れ、マトリックス樹脂への分散性にも優れる、リサイクル炭素繊維束を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する手段としては、ＣＦＲＰのマトリックス樹脂を熱分解して得られる炭素繊維束であって、樹脂残渣重量が炭素繊維束の０．１〜６％であることが重要である。また、炭素繊維束のアスペクト比（炭素繊維束の長さ／炭素繊維束の幅）が１〜１０であることが好ましい。さらに、該炭素繊維束に含まれる炭素繊維の平均長さが１〜１０ｍｍであることや、炭素繊維束の嵩密度が０．３４ｇ／ｃｃ以下であること、熱処理する炭素繊維複合材料が廃材であることも好ましい態様である。またさらに、熱処理工程における温度が３００〜７００℃であることも好ましい。このような炭素繊維束の製造方法としては、複数回の熱処理によって炭素繊維複合材料のマトリクス樹脂を熱分解し、樹脂残渣重量を炭素繊維束の０．１〜６％に制御することが重要である。また、複数回の熱処理によって炭素繊維複合材料のマトリクス樹脂を熱分解する際、最終回の熱処理を空気雰囲気中にて実施することが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ＣＦＲＰ廃材のマトリックス樹脂を熱分解し、所望の炭素繊維束を取り出し、補強効果に優れ、マトリックス樹脂への分散性にも優れる、リサイクル炭素繊維束を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明で用いるリサイクル炭素繊維束の各種形状を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明は、ＣＦＲＰのマトリックス樹脂を熱分解して得られる炭素繊維束であって、樹脂残渣重量が炭素繊維束の０．１〜６％であることを特徴とするリサイクル炭素繊維束である。
【００１２】
最初に、ＣＦＲＰの熱分解について説明する。
【００１３】
破砕および分級を施した廃ＣＦＲＰ片を、金属バット上に均一に広げ、電気マッフル炉に入れて、炉内に窒素ガスを導入しながら、処理温度を所定温度に保って熱処理を行う。その後同様に、炉内に空気を導入しながら、処理温度を所定温度に保って、熱処理を行うことで、リサイクル炭素繊維束１０が得られる。
【００１４】
リサイクル炭素繊維束の樹脂残渣量は０．１〜６％であることが重要である。樹脂残渣量が６％より高くなると、炭素繊維束の表面が硬くなり、分散性が不良となり、十分な補強効果が得られない。逆に０．１％未満になると、炭素繊維束の収束性がなくなり、単糸が飛散して作業に支障を来たすため、取り扱い性が不良となる。また、微粉が多いため混錬時に、微粉が炭素繊維束の分散を阻害し、分散性が不良となり、十分な補強効果が得られない。
【００１５】
したがって、適度な樹脂残渣量があると、炭素繊維束の収束性、即ち形態保持性を付与し、均一に分散しやすく、高い補強効果を発現する。なお、本発明における樹脂残渣量（％）は、
樹脂残渣量（％）＝［熱処理後の炭素繊維束重量／熱処理前のＣＦＲＰ重量×１００］−ＣＦＲＰのＷｆ（ＣＦＲＰ繊維重量含有率）
として計算した。
【００１６】
リサイクル炭素繊維束のアスペクト比（炭素繊維束の長さ／炭素繊維束の幅）は１〜１０が好ましい。アスペクト比が１０を超えると、炭素繊維束の幅が微細になり、投入時に単糸が飛散して作業に支障を来たすため、取扱い性が不良になる。逆にアスペクト比が１未満になると、炭素繊維束の幅が大きくなり、分散性が不良となり、十分な補強効果が得られなくなる。
【００１７】
ここで、本発明における炭素繊維束のアスペクト、平均長さ、および幅はｎ＝５０の測定値の数平均である。なお、得られるリサイクル炭素繊維束の形態はまちまちであることから、図１（ａ）から（ｈ）に示すように、炭素繊維の長さは繊維方向の最大長さを測定し（Ｌ）、炭素繊維の幅は繊維方向の９０°方向の最大長さを測定し（Ｗ）、アスペクト比はＬ／Ｗとして算出した。
【００１８】
リサイクル炭素繊維束に含まれる炭素繊維の平均長さは１〜１０ｍｍが好ましく、さらに好ましくは５〜１０ｍｍである。繊維長のバラツキが狭い範囲にあれば、繊維束は均一に分散しやすく、高い補強効果を発現する。炭素繊維の平均長さが１０ｍｍを超えると分散性が不良となり、十分な補強効果が得られない。逆に炭素繊維の長さが１ｍｍ未満であると、炭素繊維束が短いため、補強効果が期待出来なくなる。
【００１９】
炭素繊維束の嵩密度は０．２〜０．３４ｇ／ｃｃであることが好ましい。０．２ｇ／ｃｃ未満の場合は、炭素繊維束のアスペクト比および炭素繊維の平均長さが、本発明の範囲内にあるにも関わらず、樹脂残渣量が本発明の範囲外に低い状態で、炭素繊維束の収束性がなくなり、単糸が飛散して作業に支障を来たすため、取り扱い性が不良となる。また、微粉が多いため混錬時に、微粉が炭素繊維束の分散を阻害し、分散性が不良となり、十分な補強効果が得られない。一方、０．３４ｇ／ｃｃを超える場合は、炭素繊維束のアスペクト比および炭素繊維の平均長さが、本発明の範囲内にあるにも関わらず、樹脂残渣量が本発明の範囲外に高い状態にあり、炭素繊維束の表面が硬くなり、分散性が不良となり、十分な補強効果が得られなくなる。なお、本発明における炭素繊維束の嵩密度（ｇ／ｃｃ）は、５００ｃｃのメスシリンダーに炭素繊維束を４００ｃｃ入れ、重量を計測後、メスシリンダーを約３ｃｍの高さから１０回タッピングし、容量を読み取り、炭素繊維束の重量／１０回タッピングの容量で、２回の測定値を平均した値とした。
【００２０】
またさらに、熱処理工程における空気雰囲気下での熱処理温度は３００℃〜７００℃が好ましい。空気雰囲気下熱処理温度が７００℃を超えると、樹脂残渣は完全になくなり、炭素繊維のみの状態になり、炭素繊維束の収束性がなくなり、単糸が飛散して作業に支障を来たすため、取り扱い性が不良となる。また、炭素繊維束表面が傷んでしまうため、補強効果も期待出来ない。逆に熱処理温度が３００℃未満になると、樹脂残渣量が多く、炭素繊維束の表面が硬くなり、分散性が不良となり、十分な補強効果が得られなくなる。
【００２１】
また、最終回の熱処理を空気雰囲気中にて実施することが好ましい。初回に窒素ガス雰囲気下７００℃で２時間熱処理すると、樹脂残渣量は７〜８％となる。不活性な窒素ガス雰囲気下では、２時間を超えて、熱処理しても、樹脂残渣量は変化しない。最終の熱処理を活性な空気雰囲気下で行うことで、所望の樹脂残渣量を持ったリサイクル炭素繊維束を得ることができる。
【００２２】
本発明においては、ＣＦＲＰ成形物を破砕したものを用いるが、破砕する場合は、その後の加工性を考慮すると、粉砕後の最大長は２０ｍｍ以下に破砕するのが好ましい。このようなＣＦＲＰの破砕機としては、せん断式破砕機、衝撃式破砕機、切断式破砕機、圧縮式破砕機が適用できる。どの破砕機を使用しても問題なく、組み合わせることも可能である。また、破砕品の分級機としては、振動ふるい機、ジャイロ式ふるい機、遠心式ふるい機が適用できる。破砕機の破砕能力および破砕物の形態に合わせて使用するのが好ましい。
【実施例】
【００２３】
以下、本発明に係る実施例、比較例を説明する。なお、本発明はこれらの実施例、比較例によって何ら制限されるものではない。
【００２４】
（炭素繊維束の分散性評価）
リサイクル炭素繊維束の分散性についてはニーダーテストにて評価した。（株）井上製作所製のディファレンシャル・ニーダーＫＨＤ−１０を使用し、ベース材料（油系材料、硬いモチ状）に対して１重量％のリサイクル炭素繊維束をベース材料と併せて投入し、ニーダーにて３０分混練した。混錬物を採取し、押し潰して平らな状態にし、表面の５０×５０ｍｍの範囲に１ｍｍ２以下の炭素繊維束が５個以下の場合に分散性が良好であると判断した。
【００２５】
（実施例１）
破砕および分級を施した廃ＣＦＲＰ片２００ｇを、金属バット上に均一に広げ、内容積５９リットルの、電気マッフル炉に入れて、炉内に窒素ガスを導入しながら、処理温度を所定温度（７００℃）に保って、処理時間２時間で熱処理を行った。その後同様に、炉内に空気を導入しながら、処理温度を所定温度（３００℃）に保って、処理時間２時間で熱処理を行うことで、表１に示すリサイクル炭素繊維束を得た。リサイクル炭素繊維束の分散性についてはニーダーテストにて評価した。
【００２６】
材料となるＣＦＲＰとしては、東レ（株）製の炭素繊維プリプレグ（“ＴＯＲＡＹＣＡ”プリプレグ（登録商標））Ｐ２３５２Ｗ−１９（炭素繊維：Ｔ８００ＳＣ−２４Ｋ、エポキシ樹脂３５重量％含有）を１８０℃で２時間硬化させたものを使用した。
【００２７】
ベース材料としては、炭酸カルシウム（三共精粉（株）製の「エスカロン・汎用品」４．６４ｋｇ）と、ビクトリアインキ（ＤＩＣ（株）製「１０００ビクトリア」１．８２ｋｇ）を上記ディファレンシャル・ニーダーで前もって混錬した物とした。
【００２８】
表１に示すとおり、アスペクト比を７．６に、炭素繊維の平均長さを９．５ｍｍに、また、空気雰囲気下での熱処理温度を３００℃とした結果、樹脂残渣量は５．８％になり、分散性が良好な炭素繊維束を得られることが確認された。
【００２９】
ニーダーテストは、（株）井上製作所製のディファレンシャル・ニーダーＫＨＤ−１０を使用し、ベース材料（油系材料、硬いモチ状）に対して１重量％（６５ｇ）の炭素繊維束をベース材料と併せて投入し、ニーダーにて混練した後、３０分後の状態を目視で確認して評価した。混錬物３０ｇ程を採取し、押し潰して平らな状態にし、表面の５０×５０ｍｍの範囲を目視で観察した結果、１ｍｍ２以下の炭素繊維束は２個であり、分散性が良好であることが確認された。
【００３０】
（実施例２）
空気雰囲気下熱処理温度を５００℃に変更した以外は実施例１と同様の条件にて処理することで、リサイクル炭素繊維束を得た。樹脂残渣量を測定したところ４．１％であり、ニーダーテストの結果、１ｍｍ２以下の炭素繊維束は１個であり、分散性は良好であることが確認された。
【００３１】
（実施例３）
空気雰囲気下熱処理温度を７００℃に変更した以外は実施例１と同様の条件にて処理することで、リサイクル炭素繊維束を得た。樹脂残渣量を測定したところ０．３％であり、ニーダーテストの結果、１ｍｍ２以下の炭素繊維束は０個であり、分散性は良好であることが確認された。
【００３２】
（比較例１）
空気雰囲気下熱処理温度を２００℃に変更した以外は実施例２と同様の条件にて処理することで、リサイクル炭素繊維束を得た。樹脂残渣量を測定したところ６．５％であり、ニーダーテストの結果、１ｍｍ２以下の炭素繊維束は７個であり、分散性が不良であることが確認された。
【００３３】
（比較例２）
空気雰囲気下熱処理温度を８００℃に変更した以外は実施例２と同様の条件にて処理することで、リサイクル炭素繊維束を得た。樹脂残渣量を測定したところ−０．１％であり、ニーダーテストの結果、１ｍｍ２以下の炭素繊維束は７個であり、分散性が不良であることが確認された。
【００３４】
【表１】
2017002125.tif 000003
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明によれば、ＣＦＲＰ廃材のマトリックス樹脂を熱分解し、所望の炭素繊維束を取り出し、補強効果に優れ、マトリックス樹脂への分散性にも優れる、リサイクル炭素繊維束を提供することが出来る。
【符号の説明】
【００３６】
１０  リサイクル炭素繊維束
Ｌ  リサイクル炭素繊維束の長さ
Ｗ  リサイクル炭素繊維束の幅
【図１】
2017002125.tif 000004