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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 物質工学科教授杉山和夫

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 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 特徴 軽量で高強度 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

3 炭素繊維複合材料とは 画像引用 : 株式会社 UCHIDA 第一

4 炭素繊維複合材料の用途 宇宙 航空 スポーツ用品 耐熱タイル 航空機のボディ 自動車 土木 建築 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

5 市場分野と製品名 市場分野製品名市場分野製品名 高温耐食部材 ( 電気炉 ) ( トンネル炉等の内壁 ) 鉄道 高温耐食部材 ( 熱処理治具 ) ブレーキ装置 ( ブレーキディスク ) パンダグラフ ヒートシンク (LSI 専用シンク ) 熱処理関連 半導体製造装置用部材 ( 液晶関連の生産補助材 ) 電子 機械 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 クラッチ ( クラッチ装置 板 ) ゴルフクラブ 自動車関連 ブレーキ ( 制動装置 ) ( ブレーキディスク パッド ) レジャー 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) 野球バット テニスラケット SD) シリンダライナ 航空機機体 ( ボディ ) ピストンリング 航空 宇宙 ロケット ( 大気圏突入用コーン )

6 炭素繊維市場の動向 廃材処理の問題 需要拡大 引用 : 東レ株式会社資料

7 世界の CFRP リサイクルの現状 分解技術 米国 EU 日本 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~ ~ ~ ~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ル

9 CFRP 分離技術の問題点 * 熱分解法 * 常圧溶解法 * 超臨界 亜臨界流体法 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 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 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 電解 (Electrolysis) 法 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 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 CFRP 端材 電解法の紹介 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 + - 溶液 電解後 CFRP ( チップ状 ) 還元電極側 発生期状酸素による酸化反応

12 CFRP 熱特性 (TG-DTA) CFRP 昇温速度 10 /min 700 まで熱処理 mg TG(mg) DTA(μV) Temp( ) TG DTA -100

13 走査型電子顕微鏡写真 処理前 (150 倍 ) 処理後 (150 倍 ) 処理後 (2000 倍 ) 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 水素結合 OH アルカン CH 伸縮 Allyl C=C Aromatic ring C=C エポキシ CO アルコール OH Wavelength (cm -1 ) 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 CFRP 製品 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 ) 産業用 建設用などへ 製造の際に排出される端材 電気的処理 ( 特許申請中 ) 中間材料 リサイクル炭素繊維回収 成形 ホットプレス 射出成形 不織布 ペレット 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 15

16 排出が想定される端材 トウ 織物やプリプレグおよびそれらの切れ端 CFRP とその切れ端 粉状 ( 研磨の際の切りくず等 ) 画像引用 : 東レ株式会社 三菱レイヨン株式会社 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 16

17 想定される用途 リサイクル炭素繊維 カットファイバー (20~30mm 長 ) 不織布化 カットファイバー (3~6mm 長 ) ミルドファイバー (1mm 長以下 ) 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 17 画像引用 : 東レ株式会社

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 二軸押出法により炭素繊維強化 PET 樹脂複合材料を製造

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 出願日 : 2012 年 5 月 31 日 公開番号 : 特許公開 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 計画名 鋳物廃砂を活用した新規メソ多多好材料の研究開発 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 産学連携の経歴 実施年度 H13 年度 H14 年度 研究開発事業名 ( 実施省庁等名 ) 地域新生コンソーシアム研究開発事業 ( 経済産業省 ) プロジェクトトリーダー 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発 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 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 H19 年度ものづくり技術強化補助事業 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: 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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