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全文

(1)

リサイクル炭素繊維強化プラスチック

原料の製造

八戸工業高等専門学校

(2)

炭素繊維複合材料とは

炭素繊維と他の材料を複合したもの

特徴

軽量

高強度

環境負荷が低い

・耐薬品性・耐久性が高い

・耐酸化性(不活性雰囲気中)が高い

CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)

⇒炭素繊維強化プラスチックの通称であり、

炭素繊維と熱硬化性樹脂の複合材料。

(3)

炭素繊維複合材料とは

画像引用:株式会社 UCHIDA http://www.uchida-k.co.jp/reference-cfrp/introduction ㈱第一 http://www.d-1.co.jp/custom/cfrp.html

(4)

炭素繊維複合材料の用途

宇宙・航空

自動車

スポーツ用品

土木・建築

耐熱タイル

航空機のボディ

自動車のボディ

駆動系シャフト

耐震補強

画像引用:炭素繊維協会http://www.carbonfiber.gr.jp

(5)

市場分野と製品名

市場分野 製 品 名 市場分野 製 品 名 熱処理関連 高温耐食部材(電気炉) (トンネル炉等の内壁) 鉄 道 ブレーキ装置(ブレーキディスク) パンダグラフ 高温耐食部材(熱処理治具) 電子・機械 ヒートシンク(LSI専用シンク) 半導体製造装置用部材 (液晶関連の生産補助材) ロボットアーム (液晶ガラス搬送ロボット) (搬送フォーク、ロボット軸受部) 原子力関連部材 リチウム二次電池の負極材料 ライニング材 (煙突用ライニング材) 円筒ころ軸受 自動車関連 クラッチ(クラッチ装置、板) レジャー ゴルフクラブ ブレーキ(制動装置) (ブレーキディスク、パッド) 釣竿リール スキー板、スノーボード板 リミテッド・スリップ・デフ(LSD) SD) 野球バット、テニスラケット シリンダライナ 航空・宇宙 航空機機体(ボディ) ピストンリング ロケット(大気圏突入用コーン)

(6)

炭素繊維市場の動向

需要拡大

廃材処理の

問題

(7)

世界のCFRPリサイクルの現状

米国

EU

日本

分解技術

・真空熱分解法

・熱分解法

・常圧溶解法

・低温流体処理法

・流動層処理法

・熱分解法

・高温流体処理法

・熱流体処理法

・超臨界流体法

・マイクロ波処理法

・プラズマ処理法

・亜臨界流体法

・電解法

しかし、米国とEUは

いずれの方法も事業面の取り組みにおいては検討中であり、

詳細なリサイクルプロセスの報告はない。

リサイクル後の繊維の成形においても、研究段階や検討中となっている

参考:三菱総合研究所 H21年度 炭素繊維・複合材料のリサイクル技術等に関する調査報告書

(8)

日本でのCFRP分離技術

常圧溶解法

熱分解法

超臨界流体法

亜臨界流体法

機関

日立化成工業

炭素繊維協会

静岡大学

熊本大学

樹脂の種類

エステル系

熱分解性毒性

のない樹脂

エステル系

エステル系

回収物

CF(長繊維)

樹脂分解物

CF (ミルド)

CF

硬化前熱硬化樹脂

CF

樹脂分解物

温度

100~200℃

500~700℃

250~350℃

300~400℃

圧力

常圧

常圧

5~10MPa

1~4MPa

その他条件

触媒:

アルカリ金属塩

溶媒:

ベンジルアルコール

なし

溶媒:

メタノール

触媒:

アルカリ金属塩

溶媒:

ベンジルアルコール

(9)

*熱分解法

分解できる樹脂に制限が少ない

低コスト、大量処理が可能

繊維が劣化する可能性がある

*常圧溶解法

分解できる樹脂に制限があると

予測される

低コスト、前処理を必要としない

炭素繊維へのダメージが少ない

樹脂の再利用が可能

装置の大型化が課題

*超臨界・

亜臨界流体法

CFRP分離技術の問題点

特別な設備が必要であることや、

分離工程のコントロールが難しく、

実用化には至っていない

(10)

新技術の特長

・従来の繊維回収法のような、物理的な方法ではなく、

唯一の化学的な方法である

・回収したリサイクル炭素繊維には樹脂の残渣がなく、

かつ炭素繊維の強度劣化もない

・電解液はアルカリ、酸などの電解液

・プロセスはシンプルであり、

低コストで大量処理が可能である

電解(Electrolysis)法

樹脂の種類を選ぶことなく、高品質の炭素繊維を、

分離回収することが可能

(11)

電解法の紹介

CFRP

(チップ状)

還元

電極側

処理条件:+極 炭素繊維複合材

-極 チタン、銅

直流電源:3~12V

処理時間:1~3時間

溶液:アルカリ性水溶液、

酸性水溶液などの電解液

発生期状酸素に

よる

酸化反応

溶液

+ -

CFRP端材

電解後

(12)

CFRP熱特性(TG-DTA)

0

200

400

600

-6

-4

-2

0

-100

0

100

T

G

(mg

)

DT

A(

μ

V)

Temp(℃)

1.509mg

292℃

458℃

466℃

TG

DTA

CFRP 昇温速度10℃/min 700℃まで熱処理

(13)

処理後(150倍)

処理後(2000倍)

処理前(150倍)

走査型電子顕微鏡写真

試料:CFRP、予備処理として450℃で炭化処理

電解後試料にはエポキシ樹脂の残渣が見られない

13

(14)

再生炭素繊維のFT-IRスペクトル

400

800

1200

1600

2000

2400

2800

3200

3600

4000

Wavelength

(cm

-1

)

水素

結合

OH

Ally

l

C

=C

Ar

o

m

atic r

in

g

C=

C

ポキ

CO

ルコー

H伸

高感度FT-IR法により、炭素繊維表面に水酸基とエポキシ樹脂に由来する官能基が存在することが

分かった。この結果は、リサイクル炭素繊維のサイジング処理が不要であることを示している。

14

(15)

事業全体図

15

CFRP製品

製造の際に

排出される端材

原材料仕入

(端材収集・運搬)

炭素繊維

回収プラントへ搬入

(青森県八戸市)

電気的処理

(特許申請中)

リサイクル

炭素繊維回収

・カットファイバー

20-30mm長)

・カットファイバー

3-6mm長)

・ミルドファイバー

産業用、建設用などへ

中間材料

成形

・不織布

・ペレット

・ホットプレス

・射出成形

(16)

16

排出が想定される端材

画像引用:東レ株式会社 http://www.torayca.com/lineup/product/ 三菱レイヨン株式会社 http://www.mrc.co.jp/pyrofil/product/index.html

粉状

(研磨の際の

切りくず等)

CFRPと

その切れ端

織物やプリプレグ

および

それらの切れ端

トウ

4種類が想定される

これらから炭素繊維をいかに取り出すかが課題

(17)

17

カットファイバー

20~30mm長)

カットファイバー

3~6mm長)

熱可塑性樹脂との複合材[CFRTP]

(ホットプレスによる成形、混合押出機によるペレット化)

・産業・建材用 (太陽光発電システム据付用架台 等)

・自動車用

・炭素繊維の価格が高く、これまで適用できなかった分野に

想定される用途

リサイクル炭素繊維

ミルドファイバー

1mm長以下)

不織布化

画像引用:東レ株式会社 http://www.torayca.com/lineup/product/

(18)

ペレットの製造

PET樹脂

再生炭素繊維

PET樹脂/再生

炭素繊維ペレット

二軸押出法により

(19)

実用化に向けた課題

原料となるCFRP端材の回収システムを

構築する

再生炭素繊維複合材のリサイクリング使用

技術の開発

再生炭素繊維複合材の材料特性のデータ

ベース化

再生炭素繊維複合材の用途拡大へ

(20)

企業への期待

 再生炭素繊維ビジネスのビジネスモデルを

構築したい

 乾式・湿式の不織布連続製造技術を所有

するの企業との共同研究を希望

 自動車部品等への用途開発の共同研究を

希望

(21)

特許情報

発明の名称 :

炭素繊維複合材料からの炭素繊維の回収方法

出願番号 : 特許出願2012-125201

出願日 : 2012年5月31日

公開番号 : 特許公開2013-249386

公開日 : 2013年12月12日

出願人 : 独立行政法人国立高等専門学校機構

発明者 : 杉山 和夫

(22)

産学連携の経歴

計画名

実施年度

研究開発事業名

(実施省庁等名)

プロジェクト

トリーダー

鋳物廃砂を活用した新規メソ多

多好材料の研究開発

H13年度

地域新生コンソーシアム

研究開発事業(経済産業省)

C/Cコンポジットを基材とする

する超軽量金属複合新素材の

研究開発

H14年度

地域新生コンソーシアム

研究開発事業(経済産業省)

○(副)

鋳物廃砂からの高機能型ゼオ

ライトによる酸素濃縮供給装置

置の開発

H15、16年

6年度

彩の国コンソーシアム

研究推進事業(埼玉県)

○(副)

鋳物廃砂を利用するオゾン蓄

積型シリカ系鮮度保持剤の開

H18、19年

9年度

彩の国コンソーシアム

研究推進事業(埼玉県)

マイクロ波温度制御新規加熱

装置の実用化

H19年度

ものづくり技術強化補助事業

リサイクル炭素繊維強化熱可

塑性プラスチック製造用中間原

原料の開発

H25年度

研究成果展開事業

研究成果最適展開支援

プログラム (JST)

その他 産学共同研究 40件以上

(23)

お問い合わせ先

八戸工業高等専門学校

[総務課 地域連携係]

TEL:0178-27-7239

E-mail:renkei-o@hachinohe-ct.ac.jp

[産学交流・キャリア教育支援コーディネーター]

佐藤 勝俊

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参照

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