JP5347056B2 - 再生炭素繊維の製造装置及び再生炭素繊維の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、再生炭素繊維の製造装置及び再生炭素繊維の製造方法に関するものである。特に、炭素繊維強化プラスチックを高温で加熱し、マトリックス成分を除去することを特徴とする、再生炭素繊維の製造装置及び再生炭素繊維の製造方法に関する。また本発明に係る再生炭素繊維の製造装置及び製造方法により製造された再生炭素繊維は、不織布等の原料として再利用可能である。

高強度及び高弾性率等の優れた力学的特性を備える材料として炭素繊維が知られている。この炭素繊維をフィラー成分として使用し、エポキシ樹脂やポリエステル樹脂等をマトリックス成分とした炭素繊維強化プラスチック（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ、以下ＣＦＲＰとも言う）が製造されている。炭素繊維は、比重が鉄の１／４と軽量であり、且つ鉄の約１０倍の高い強度を有しており、耐摩耗性、耐熱性、電気伝導性、耐引張力に優れた素材であるために、航空・宇宙産業等を始めとする各種産業分野において広く用いられている。

炭素繊維強化プラスチックは、主に、炭素繊維にマトリックス成分の樹脂を浸透させたプリプレグを生成し、このプリプレグをオートクレーブ内で加圧しながら焼成することにより製造されている。この炭素繊維強化プラスチックの製造工程では、製品以外に多くの端材が発生している。例えば航空機の機体等といった、大きなサイズの製品を製造する場合、上記端材が大量に発生する。このため、端材の処分が問題となることがあった。前述のように、炭素繊維強化プラスチックは、異なる性状のフィラー成分及びマトリックス成分が混在したものであり、これらをそれぞれ分離して再利用（リサイクル）若しくは再使用（リユース）することは技術的な困難性が高かった。またコストやエネルギー効率の点から有効ではなかった。その結果、現状では、多くの場合、製造時に発生した端材、及び未使用のプリプレグの大部分が、埋立てや焼却等によって処分されていた。さらに、製品としての機能を終えた後に回収された炭素繊維強化プラスチックも同様に、埋立て等によって処分されていた。

本願発明の発明者等によって、炭素繊維強化プラスチックからマトリックス成分のみを熱分解によって加熱除去し、力学的特性を低下させることなしに、炭素繊維を選択的に回収する炭素繊維の再生処理装置及び再生処理方法（特許文献１及び特許文献２参照）に関する技術が既に開発されている。これによると、連続式炉は、耐火性素材によって細長トンネル形状の再生処理空間が構築されている。この連続式炉の中には、メッシュ状のベルトコンベアが配設されている。係るベルトコンベアを利用して炭素繊維強化プラスチックを再生処理空間に連続的に供給するとともに、再生処理空間内の加熱領域で炭素繊維強化プラスチックを加熱することにより、熱可塑性のエポキシ樹脂等のマトリックス成分のみを熱分解によってガス化し、炭素繊維（再生炭素繊維）を長繊維状の状態で回収することが可能となる。その結果、大量の炭素繊維強化プラスチックを効率的に熱分解することができ、再生炭素繊維を生成することができる。

又、特許文献３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。

特開第２００８−２８５６０１号公報 特許第４９４９１２３号公報 特開第２０１１−１２２０３２号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載の炭素繊維の再生処理装置及び再生処理方法は、下記に掲げる課題があった。すなわち、回収された炭素繊維強化プラスチックの端材等は、製品の使用部位等によって種々の形状をしている。このため、形状の差異により熱分解の際の熱の伝達に違いが生じ、加熱条件にバラツキが生じることがあった。その結果、従来の連続炉を有する再生処理装置を用いて炭素繊維強化プラスチックから再生炭素繊維を生成する揚合、上記熱的特性の違いにより、一部が再生処理空間で過熱状態となって燃焼したり、或いは熱が十分に伝達されずマトリックス成分の一部が残る等の不具合を生じ、得られた再生炭素繊維の性状及び品質に偏りが生じることがあった。

一方、特許文献３に開示される炭素繊維の回収方法においては、マトリックス成分の２０〜３２％が残存するため、回収された炭素繊維は繊維束の形態を保っている一方で、柔軟性に欠ける可能性がある。このため、回収された炭素繊維を不織布等に再利用する場合には、更なる加工が必要となる可能性が高い。

本発明は、上記実情に鑑み、炭素繊維強化プラスチックを安定した加熱条件で加工することにより、再生炭素繊維を効率的に、且つ低いコストで製造する技術を提供することを目的としている。即ち本発明は、不織布等の加工に適した再生炭素繊維と、この再生炭素繊維の製造装置及び製造方法の提供を課題とするものである。

上記の課題を解決するための本発明の再生炭素繊維の製造装置は、炭素繊維及びマトリックス成分を含有する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装置である。本発明の再生炭素繊維の製造装置は、炭化乾留炉と、連続式炉とを有している。炭化乾留炉は、箱状の本体部と、本体部の内側に配置されており炭素繊維強化プラスチックを収納する炭化乾留室と、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、前記本体部と前記炭化乾留室との間の空間に形成されている加熱室とを備えている。炭化乾留炉は、炭素繊維強化プラスチックを乾留して、マトリックス成分の一部を固定炭素に転換し、固定炭素を前記炭素繊維の表面に付着させる。連続式炉は、固定炭素が付着した炭素繊維を搬送するメッシュ搬送部と、細長トンネル形状の加熱処理空間とを備えており、固定炭素が付着した炭素繊維を連続的に加熱して固定炭素の一部を除去する。本発明の再生炭素繊維の製造装置は、炭化乾留炉が蒸気発生器を備えており、１００℃以上７００℃以下の水蒸気を前記炭化乾留室に供給することを特徴とする。

固定炭素とは、マトリックス成分が、加熱によりその一部が炭化し、粉体等の態様で残存した炭素分である。この固定炭素が炭素繊維の繊維表面に付着することにより、それぞれの再生炭素繊維同士の絡まり（凝集）の程度が高くなり、束のような塊になりやすい。そのため、風等によっても容易に飛散する可能性が抑えられ、取扱い性が良好となる。なお、固定炭素の残存炭素率が高くなると、再生炭素繊維同士を密着させる一種のバインダとして機能し、塊の程度がより大きくなることもある。

乾留とは、例えば、４００℃以上の加熱温度に設定されたバッチ式の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投入して封止し、バーナーが燃焼している燃焼室から輻射熱を供給することで、炭素繊維強化プラスチックを無酸素状態で加熱（所謂「蒸し焼き」）するものである。炭素繊維強化プラスチックに含まれる低沸点の物質及び水分等は、加熱により、ガス化及び炭化する。これにより、引き続き行われる連続式炉による固定炭素の加熱除去時間を短縮化することが可能となる。さらに、予め乾留工程により、炭素繊維強化プラスチックの炭化分を一定にすることができ、加熱条件を安定させ、製造装置全体のエネルギー効率を良好なものとすることができる。

蒸気発生器から１００℃以上７００℃以下の水蒸気を炭化乾留室に供給することによって、炭化乾留室内の対流を促進し、炭化乾留室内で乾留により発生したマトリックス成分のガス（以下、乾留ガスとも言う）をバーナーに効率よく供給することが可能となる。この結果、乾留ガスを安定して燃焼させることができるので、燃料費を抑制することが可能となる。またマトリックス成分が転換した固定酸素が炭化乾留室内の床や壁に堆積することや、乾留ガスによるガス燃焼用配管内でのタールの発生を、未然に防止することができる。ここで、７００℃を越えた温度に水蒸気を加熱して供給することは、炭化乾留室や配管に負荷がかかるために好ましくない。更に、８００℃以上の高温の水蒸気を供給することは、特定の種類の炭素繊維が分解や劣化を引き起こす可能性があるために、好ましくない。

本発明の再生炭素繊維の製造装置は、蒸気発生器が、５００℃以上７００℃以下の過熱水蒸気を炭化乾留室に供給することが好ましい。過熱水蒸気は、炭化乾留室内を更に均一に直接加熱することが可能となる。この結果、乾留ガスをより迅速に発生させて効率よく乾留を進めることが可能となる。

本発明の再生炭素繊維の製造装置は、二台の炭化乾留炉を備えており、一方の炭化乾留炉の蒸気発生器から他方の炭化乾留炉の炭化乾留室に過熱水蒸気を供給する分岐配管を設け、且つ他方の炭化乾留炉の蒸気発生器から一方の炭化乾留炉の炭化乾留室に過熱水蒸気を供給する分岐配管を設けることができる。いずれか一方の前記炭化乾留炉で発生させた過熱水蒸気を、他の前記炭化乾留炉の炭化乾留室を加熱する熱源として供給することにより、燃料コストを低減し、より安価に再生炭素繊維を製造することが可能となる。

さらに本発明の再生炭素繊維の製造装置は、炭化乾留炉の燃焼室と、連続式炉の再生処理空間とが耐熱通路で接続されており、炭化乾留炉からの排熱を連続式炉の熱源として供給することができる。炭化乾留炉の排熱を連続式炉で利用することによって、加熱に必要となる燃料費を一層削減し、より安価に再生炭素繊維を製造することが可能となる。

本発明の再生炭素繊維の製造方法は、乾留工程と加熱除去工程とを備えていることを特徴とする。乾留工程は、炭化乾留炉によって、１００℃以上７００℃以下の水蒸気を供給しながら炭素繊維強化プラスチックを乾留し、マトリックス成分の一部を固定炭素に転換して炭素繊維の表面に付着させる。加熱除去工程は、連続式炉の再生処理空間において、搬送された炭素繊維を加熱し、付着している固定炭素の一部を除去する。

ここで、連続式炉とは、例えば、煉瓦のような耐火性素材を用いて、内部に細長トンネル形状の再生処理空間が構築されたものであり、再生処理空間の加熱領域で固定炭素が表面に付着した炭素繊維を加熱し、再生炭素繊維を製造することが可能なものである。このとき、再生処理空間への固定炭素が表面に付着した炭素繊維の搬送は、複数のローラを並設した所謂「ローラハースキルン」等の搬送部や、或いはメッシュベルトを回転駆動させるメッシュ搬送部等を採用することが可能である。

本発明の再生炭素繊維の製造方法は、乾留工程において、乾留ガスを自燃状態とすることが可能である。

本発明の再生炭素繊維の製造装置は、炭素繊維強化プラスチックのマトリックス成分の一部を固定炭素に転換して炭素繊維の表面に付着させることのできる乾留炭化炉を備えている。この乾留炭化炉は、蒸気発生器で発生させた１００℃以上７００℃以下の水蒸気を炭化乾留室に供給することによって、炭化乾留室内の対流を促進し、炭化乾留室内で乾留により発生した乾留ガスを燃焼装置に効率よく追い出すことが可能となる。この結果、乾留ガスを安定して燃焼させることができ、またマトリックス成分が転換した固定炭素が、炭化乾留室内の床や壁に堆積することや、乾留ガスによる燃焼配管内でのタールの発生を防止することができる。即ち、炭化乾留室に１００℃以上７００℃以下の水蒸気を供給することで、加熱条件を安定させ、製造装置全体のエネルギー効率を良好なものとすることができる。

本発明の再生炭素繊維の製造装置は、炭化乾留室に５００℃以上７００℃以下の過熱水蒸気を供給することによって、炭化乾留室内を更に均一に直接加熱することが可能となる。供給される過熱水蒸気が５００℃以上７００℃以下の高温であるため、炭化乾留室内の温度低下が発生せず、乾留ガスをより迅速に発生させることが可能となる。この結果、乾留ガスを燃焼室の燃料として速やかに利用できるので、一層効率よく乾留を進めることが可能となる。

本発明の再生炭素繊維の製造装置は、二台の炭化乾留炉を備えており、一方の炭化乾留炉の蒸気発生器から他方の炭化乾留炉の炭化乾留室に過熱水蒸気を供給する分岐配管を設け、且つ他方の炭化乾留炉の蒸気発生器から一方の炭化乾留炉の炭化乾留室に過熱水蒸気を供給する分岐配管を設けることができる。いずれか一方の前記炭化乾留炉で発生させた過熱水蒸気を、他の前記炭化乾留炉の炭化乾留室を加熱する熱源として供給することにより、燃料コストを低減することができる。さらに、炭化乾留炉の排熱を連続式炉の加熱領域に提供することで、一層の燃料コストの低減を実現することができる。

本発明の再生炭素繊維の製造方法は、マトリックス成分の一部が付着した炭素繊維を連続式炉に導入して、再生炭素繊維を製造することができる。これにより、マトリックス成分の一部を固定炭素として残存させることで、再生炭素繊維の取り扱い易さを良好にすることができる。

本発明の実施例１の、再生炭素繊維の製造装置の一部である炭化乾留炉１０１の概略構成を示す正面図である。 本発明の実施例２の、再生炭素繊維の製造装置の一部である炭化乾留炉２０１の概略構成を示す正面図である。 本発明に係る大型の炭化乾留炉１０１において、１００℃の水蒸気を供給した場合の炉内温度の経時変化を示す図である。 本発明に係る炭化乾留炉１０１において、１００℃の水蒸気を供給した場合の炉内温度の経時変化を示す図である。 本発明に係る炭化乾留炉２０１において、５００℃の水蒸気を供給した場合の炉内温度の経時変化を示す図である。 本発明に係る再生炭素繊維の製造装置１００の中の連続式炉２６の概略構成を示す説明図である。 本発明に係る再生炭素繊維８の製造方法の一例を示すフローチャートである。 本発明に係る再生炭素繊維８の強度試験の結果を示す図である。 二つの炭化乾留炉を交互に運転した場合の炭化乾留室の温度分布を模式的に示す図である。 本発明の実施例３の、二つの炭化乾留炉を耐熱通路で接続した状態を示す概略構成図である。 本発明の実施例４の、二台の炭化乾留炉の燃焼室を連続式炉に耐熱通路で接続した状態を示す概略構成図である。 本発明の実施例５の、一台の炭化乾留炉の燃焼室を連続式炉に耐熱通路で接続した状態を示す概略構成図である。

以下、本発明に係る再生炭素繊維の製造装置１００，２００及び製造方法１（以下、単に「製造装置１００」「製造装置２００」及び「製造方法１」と称す）について、図面を参照しつつ好適な実施形態を説明する。

本実施形態の製造装置１００，２００及び製造方法１について、好適な実施形態を列記する。再生炭素繊維８の原料となる炭素繊維強化プラスチック４０は、炭素繊維強化プラスチックを用いた製品を製造する製造工揚から出された端材等（焼成前のプリプレグを含む）を回収したものであり、主にシート状のものを想定している。回収された端材等には、紙やその他の來雑物が含まれているため、これらを手作業で取り除くといった、予備的な除去作業を行ったものが使用される。以下においては、炭素繊維強化プラスチック４０を、ＣＦＲＰ４０と称することもある。

図１に、再生炭素繊維の製造装置１００の一部である炭化乾留炉１０１の概略構成を示す。また図２に、再生炭素繊維の製造装置２００の一部である炭化乾留炉２０１の概略構成を示す。製造装置１００，２００の炭化乾留炉１０１，２０１に共通する構成について説明する。炭化乾留炉１０１，２０１は、正面側に、図示されない封止扉が取り付けられた開口部を有する箱状の本体部１０５，２０５と、本体部の内側に配置されている炭化乾留室１０２と、炭化乾留室１０２の下部に配置されている燃焼室１０３，２０３と、を備えている。本体部１０５，２０５と、炭化乾留室１０２との間の空間には、加熱室１１５，２１５が形成されている。本体部１０５，２０５と炭化乾留室１０２の外壁とは、いずれも耐熱性の金属で形成されている。炭化乾留室１０２には、本体部１０５，２０５の開口部と整合する位置に開口部が設けられており、本体部１０５，２０５の封止扉を閉じることによって、炭化乾留室１０２と加熱室１１５，２１５とを同時に封止することが可能である。

装置１００，２００には、炭化乾留室１０２の内部とバーナー１０４とを連通させるガス燃焼用配管１０７が設けられている。乾留によって発生する乾留ガスは、ガス燃焼用配管１０７を通過してバーナー１０４に供給されて燃焼する。乾留ガスの燃焼熱は、炭化乾留室１０２の昇温と温度維持に用いられる。このほかに、装置１００，２００は、加熱室１１５と燃焼室１０３とにそれぞれ連通する熱風放出ダクト１０８を備えている。熱風放出ダクト１０８には、加熱室１０２と燃焼室１０３との間のそれぞれの通路にダンパー１０９が設けられており、過剰な熱を適宜外部に放出して温度調節を行う。これにより、炭化乾留室１０２の温度は、約４００℃から約６５０℃の範囲で維持される。

ＣＦＲＰ４０は、耐熱トレイ１１０上に並べられる。耐熱トレイ１１０は互いに間隔をあけた状態で耐熱棚１１１上に積み重ねられて、炭化乾留室１０２に収納される。封止扉を閉鎖すると、炭化乾留室１０２は密閉状態となり、無酸素状態で炭化乾留を行うことができる。炭化乾留によって、ＣＦＲＰ４０のマトリックス成分は、加熱により一部が炭化水素等のガスに分解する。またこのとき、マトリックス成分の一部は、炭化して粉体等の態様となり、炭素繊維の表面に残存する。

次に、図６を参照しつつ、連続式炉２６について、説明する。耐火性素材である耐火煉瓦を用いて、内部に細長トンネル形状の再生処理空間２が構築された連続式炉本体２６は、メッシュベルト４と、メッシュ搬送部６と、加熱除去部７と、冷却部９と、を備えている。メッシュベルト４は、炉本体３を貫通するように配されている。メッシュ搬送部６は、メッシュベルト４を支持するとともに、軸周りに回転可能な複数の回転ローラ５を有している。加熱除去部７は、再生処理空間２を三つの領域に分割し、その中央の領域の加熱領域ＨＺに設置されている。冷却部９は、加熱領域ＨＺの搬送下流側の冷却領域ＣＺに設けられており、製造された再生炭素繊維８を室温近傍まで徐冷する。メッシュベルト４に載置された固定炭素が付着した炭素繊維は、搬送方向（図６における矢印Ａ方向）に沿って搬送され、搬送上流側の連続式炉２６に開口した導入口１６から再生処理空間２に導入され、さらに搬送下流側に開口した排出口１７から再生処理空間２の外に排出される。

ここで、導入口１６及び排出口１７の間の再生処理空間２は、前述したように三つの領域が設定されている。さらに、具体的に説明すると、固定炭素が付着した炭素繊維を室温近傍の温度から所定の加熱温度（例えば、５５０℃）に到達するように予め設定された温度勾配に沿って徐々に加熱するための予備加熱領域ＰＺと、予備加熱領域ＰＺの搬送下流側に設定され、予備加熱領域ＰＺで到達した加熱温度をそのまま保持し、固定炭素が表面に付着した炭素繊維を加熱し、固定炭素の一部を熱分解させて再生炭素繊維８を生成するための加熱領域ＨＺと、加熱領域ＨＺの搬送下流側に設定され、再生処理後の再生炭素繊維８を室温近傍まで冷却するための冷却領域ＣＺの三つの領域に分かれている。尚、加熱において温度勾配が不要であれば、予備加熱領域ＨＺ（予備加熱部１１）をなくすことが可能である。

網状部材から構成されたメッシュベルト４を有するメッシュ搬送部６は、既に示したメッシュベルト４及び複数の回転ローラ５等の構成に加え、回転ローラ５を回転させるための回転力を発生させる回転駆動用モータ及び当該回転力を回転ローラ５に伝達するための回転伝達機構等の周知の構成を含むものであり、その詳細についてはここでは説明を省略する。また、加熱除去部７及び予備加熱部１１は、円環状のメッシュベルト４の上側に位置する上ベルト１８及び下側に位置する下ベルト１９の間に介設され、上ベルト１８のベルト内面２０に相対するように発熱体２１がそれぞれ配置されたものである。これにより、発熱体２１に電流を供給し抵抗熱を発生させることによって、上ベルト１８のベルト面１８ａに載置されており、予備加熱領域ＰＺ及び加熱領域ＨＺに搬送された、固定炭素が表面に付着した炭素繊維に対して下方から熱を加えることができる。なお、発熱体２１に電流を供給するための電流供給部、供給する電流値を調整し発生する抵抗熱を制御する電流調整機構、及び予備加熱領域ＰＺ及び加熱領域ＨＺのそれぞれの複数箇所に設置され、当該位置における温度を計測する温度計測センサ、酸素濃度センサ、及び一酸化炭素濃度センサ等の構成を備えているが、ここでは図示を省略している。

一方、冷却領域ＣＺに設けられた冷却部９は、加熱領域ＨＺによって表面に付着した固定炭素の一部が熱分解された再生炭素繊維８を徐冷し、排出口１７から排出された段階で作業者が回収可能な程度の温度まで下げるためのものである。本実施形態の場合、排出口１７付近から搬送上流側に向けて冷却領域ＣＺ内に強制的に冷たいエアー（外気）を送気するエアー送気部２２が設けられている。さらに、連続式炉３の冷却領域ＣＺには、再生処理空間２と連通するように上方に開口した複数の連通口２３が開設され、該連通口２３と吸気ダクト２４が接続されている。これにより、強制的に送気されたエアーは、冷却領域ＣＺで高温の再生炭素繊維８と接することで熱交換によって温められ、一部のエアー（例えば、約６０％程度）は、連通口２３及び吸気ダクト２４を通じて連続式炉３の外部に放出され、残りのエアー（例えば、約４０％程度）は搬送上流側の加熱領域ＨＺに流れることになる。

次に、図７のフローチャートを参照しつつ、製造方法１の好ましい実施形態について説明する。乾留工程Ｓ１で、ＣＦＲＰ４０はトレイ１１０上に収容された状態で、炭化乾留炉１０１，２０１の炭化乾留室１０２の耐熱棚１１１に搭載される。高温の無酸素状態に維持されることで、ＣＦＲＰ４０に含まれる低沸点の物質及びマトリックス成分の一部を乾留する。本実施形態の乾留工程の条件の一例を挙げると、炭化乾留炉１０１，２０１による炭化温度を５５０℃にセットし、これを８時間継続する。炭化乾留炉１０１，２０１は、運転開始時には、燃料が供給されたバーナー１０４の燃焼によって昇温される。炭化乾留室１０２が充分に高温となると、ＣＦＲＰ４０の低沸点の物質が揮発し、さらにメタンやベンゼン等の炭化水素ガスが発生する。そしてこれらのガスは乾留ガスとしてバーナー１０４に導入されて燃焼し、炭化乾留炉１０１，２０１の温度の維持に貢献する。一方、マトリックス成分の一部は固定炭素に転換されて、炭素繊維の表面に付着する。好ましい実施形態では、乾留工程Ｓ１によって得られる炭素繊維の残存炭素率が、マトリックス成分の当初重量に対して約１０％〜約１２％に調整される、残存炭素率が調整されることで、引き続き行う固定炭素の加熱除去の加熱条件を安定させることが可能となる。

製造方法１の乾留工程Ｓ１では、蒸気発生器で１００℃以上７００℃以下の水蒸気を発生させて、炭化乾留室に供給する。水蒸気の供給によって、炭化乾留室内の対流を促進し、炭化乾留室内で乾留により発生した乾留ガスを燃焼装置に効率よく追い出すことが可能となる。１００℃の水蒸気及び５００℃の水蒸気を添加した場合の効果については、実施例で詳細に述べる。

乾留工程Ｓ１を終了した炭素繊維強化プラスチックは、表面に固定炭素が付着した炭素繊維２５の形態を備えている。以下に於いては、乾留工程による処理が完了した炭素繊維強化プラスチックを、乾留後ＣＦＲＰ２５とも言う。乾留後ＣＦＲＰ２５は、乾留工程での炭化水素ガス等の発生により乾留前に比べて体積が小さくなっているものの、依然として乾留前の形状を維持している。一方で、固定炭素が炭素繊維の繊維表面に付着していることにより、それぞれの炭素繊維同士は、凝集して乾留前よりも硬くなっている。

次に、乾留後ＣＦＲＰ２５を連続式炉２６に導入するために、所定のサイズに乾留後ＣＦＲＰ２５をカットする工程を行う（裁断工程Ｓ２）。

次に、充填空間３１に、カットされた乾留後ＣＦＲＰ２５を、導入口１６の近傍のメッシュベルト４に載置する。メッシュ搬送部６を稼働させることで、メッシュベルト４の上ベルト１８に載置された乾留後ＣＦＲＰ２５が、水平方向に移動する（搬送工程Ｓ３）。メッシュベルト４の移動速度、すなわち、乾留後ＣＦＲＰ２５の搬送速度は、例えば１２．２ｍ／ｈ（≒０．２０ｍ／ｍｉｎ）に設定される。なお、本実施形態において使用される連続式炉２６は、炉本体３の導入口１６から排出口１７までの炉内距離が２６．５ｍに設定され、一方、上流端４ａから下流端４ｂまでの全体長さが３５．０ｍになるように設定されている。そのため、導入口１６から導入され、排出口１７から排出されるまで、乾留後ＣＦＲＰ２５は、１３０分間を掛けて再生処理空間２を搬送されることになる。このとき、搬送速度を低く設定しすぎると、乾留後ＣＦＲＰ２５の再生処理空間２における滞留時聞が長くなり、作業効率が著しく低下する。

加熱領域ＨＺに到達した乾留後ＣＦＲＰ２５は、炭素繊維に付着した固定炭素の一部を酸素雰囲気下の再生処理空間２で加熱除去するために加熱される（加熱除去工程Ｓ４）。ここで、加熱領域ＨＺの加熱温度は、本実施形態では５５０℃に設定されているが、約６００℃程度の高温に設定することも可能である。このとき、乾留後ＣＦＲＰ２５の炭素繊維自体は、８００から８５０℃以上の加熱温度でなければ酸素雰囲気下でガス化することがない。その結果、マトリックス成分に由来する固定炭素の一部のみが酸化反応によって加熱除去され、再生炭素繊維８が生成される。このとき、加熱領域ＨＺにおける加熱温度、加熱領域ＨＺの距離（長さ）、及び搬送速度を調整することにより、マトリックス成分の炭化物が完全に除去されない間に冷却領域ＣＺに到達するように設定されている。その結果、再生炭素繊維８の繊維表面には、マトリックス成分の炭化物即ち固定炭素が付着している。

そして、冷却領域ＣＺに到達した再生炭素繊維８は、加熱除去部７の発熱体２１による熱を受けることがないため、メッシュベルト４に沿って搬送される間に徐々に熱を放出し、徐冷される（冷却工程Ｓ５）。このとき、搬送下流側から、外気がエアー送気部２２によって送気されるため、該外気と接した再生炭素繊維８は、さらに温度低下の勾配が急激となり、冷却領域ＣＺが短く設定されている場合であっても十分な冷却効果を得ることができる。なお、再生炭素繊維８には固定炭素が付着しているため、完全にマトリックス成分を除去したものと比べ、エアー送気部２２による外気によって容易に飛散することがない。冷却領域ＣＺに送気された外気は、未だ高温の再生炭素繊維８と接し、熱交換によって温められる。その結果、吸気ダクト２４からその一部が吸引されて、連続式炉２６の外部に放出される。一方、残りの一部は加熱領域ＨＺに到達する。このとき、外気は酸素を含むものであり、マトリックス成分由来の炭化物をガス化するための酸化反応のために費消される。

その後、再生処理空間２の終端に到達し、十分に冷却された再生炭素繊維８が排出口１７から排出される（ステップＳ６）。

以上説明したように、本実施形態の製造方法１によれば、原料のＣＦＲＰ４０を炭化乾留炉１０１，２０１で乾留し、さらに乾留後ＣＦＲＰ２５を搬送上流側のメッシュベルトに載置して所定の搬送速度で搬送し、再生処理空聞２でマトリックス成分の炭化物を一部残して加熱分解することにより、乾留後ＣＦＲＰ２５からマトリックス成分のみを選択的に除去し、かつ風等によって容易に飛散することのない再生炭素繊維８の再生が可能である。

本実施形態の再生炭素繊維の製造装置及び製造方法において、処理対象となるＣＦＲＰ４０は、例えば、フィラー成分としてポリアクリロニトリル系炭素繊維（ＰＡＮ系炭素繊維）を用い、マトリックス成分としてエポキシ樹脂等を用いたものを想定することができるが、これに限定されない。この場合、ＣＦＲＰ４０に占めるマトリックス成分の重量比は、一般に約６０重量％程度である。ここで、フィラー成分の炭素繊維の加熱分解温度（例えば、８５０℃前後）に対し、マトリックス成分のエポキシ樹脂等はそれよりも低い加熱温度（例えば、４００℃〜６００℃前後）で熱分解し、ガス化する性質を備えている。同様に、マトリックス成分に由来する固定炭素も、ほぼ同一の温度でガス化する。

尚、マトリックス成分として使用される樹脂は、エポキシ樹脂に限定されるものではなく、例えば、熱可塑性樹脂としてポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂、飽和ポリエステル樹脂、及びポリカーボネート樹脂等を例示することができる。また、熱硬化性樹脂として、エポキシ樹脂以外に、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂等を例示することができる。

マトリックス成分として熱硬化性樹脂を含むＣＦＲＰ４０は、直接加熱すると樹脂の熱硬化反応によって再生対象の炭素繊維に強固に固着する可能性がある。そこで、徐々に加熱してゆるやかに昇温させることで、ガス化或いは燃焼反応を生じさせることができ、本実施形態の製造方法及び製造装置を適用することができる。

炭化乾留炉の炭化乾留室で気化したマトリックス成分は、乾留ガスとしてバーナー１０４に供給されて燃焼する。多くの種類の樹脂は、燃焼時の発熱量が大きいため、炭化乾留炉２０１は、炉内の温度が５００℃に到達した直後から乾留工程の終了まで、乾留ガスは自燃状態となり、炉内の温度を維持するために灯油等の他の燃料が不要となる。この結果、使用するエネルギーを著しく減少させることが可能となった。

本実施例では、乾留工程（ステップＳ１）において１００℃の水蒸気を炭化乾留炉の炭化乾留室に供給し、加熱除去工程Ｓ４において固定炭素を約３％残存させる製造方法によって製造された再生炭素繊維８について詳細に説明する。本実施例に係る製造装置１００の炭化乾留炉１０１の構成を図１に示す。連続式炉２６の構成と、連続式炉２６に関連するステップＳ２からステップＳ６までの製造工程は実施形態に説明した通りであり、重複説明を割愛する。

炭化乾留炉１０１は、箱状の本体部１０５と、本体部１０５の内側に配置されている炭化乾留室１０２（炭化ボックス１０２）と、炭化乾留室１０２の下部に配置されている燃焼室１０３と、を備えている。本体部１０５と炭化乾留室１０２との間の空間には、加熱室１１５が形成されている。本実施例では、燃焼室内に温度計測センサ１４１が配置されている。また、加熱室１１５内の側壁に、温度計測センサ１４２が配置されている。更に、炭化乾留室１０２の上部に温度計測センサ１４３が配置されており、炭化乾留室１０２の下部に温度計測センサ１４４が配置されている。

炭化乾留炉１０１はまた、外部ボイラー１１２と、外部ボイラー１１２と炭化乾留室１０２とを連通させる水蒸気配管１１３とを備えている。乾留工程ステップＳ１が開始されて、炭化乾留室１０２の温度が１００℃を越えた時点で、外部ボイラー１１２から、水蒸気配管１１３を経由して１００℃の水蒸気が供給される。水蒸気の供給は、乾留が終わり、冷却が開始されるまで継続される。

図４に、１００℃の水蒸気が供給されている乾留工程の間の、炭化乾留炉１０１内部の温度変化を示す。ここで、燃焼室の温度計測センサ１４１の温度変化を符号Ａの実線で示し、加熱室の温度計測センサ１４２の温度変化を符号Ｂの破線で示し、炭化乾留室の上部の温度計測センサ１４３の温度変化を符号Ｃの２点鎖線で示し、炭化乾留室の下部の温度計測センサ１４４の温度変化を符号Ｄの１点鎖線で示す。図４に示す様に燃焼室の目標温度を８００℃に設定することで、炭化乾留室の温度は、約３時間後に５５０℃に到達し、最高約６３０℃となった。乾留工程Ｓ１の間、炭化乾留室の温度は最高６０７℃であった。また炭化乾留室の耐熱棚下部の温度は、最高４２０℃であった。本実施例ではガス燃焼用配管１０７から流出する乾留ガスの流量に基づいて乾留工程の終了を判定したが、乾留の所要時間は６時間３０分であった。

二個の炭化乾留室を有しているより容量の大きな炭化乾留炉を用い、蒸気発生器によって１００℃の水蒸気を供給して再生炭素繊維８を製造した場合の、炭化乾留炉の温度分布と時間との関係を図３に示す。ここで、燃焼室の温度を符号Ａの実線で示し、加熱室の温度変化を符号Ｂの破線で示す。より大きな炭化乾留炉では、２個の炭化乾留室のそれぞれの上部の温度変化を測定しており、符号Ｃの２点鎖線と符号Ｄの１点鎖線で示している。図３に示す様に燃焼室の目標温度を９００℃に設定したが、炭化乾留室の温度は５００℃には到達せず、約４００℃〜４５０℃に維持された。乾留工程Ｓ１の間、炭化乾留室の上部の温度は最高３８０℃であった。しかしながら、大型の炭化乾留炉であっても、１００℃の水蒸気を供給することで、乾留工程は効率よく進めることができた。

本実施例の再生炭素繊維８の引張り強度を検証した。引張り試験は、ＪＩＳ Ｒ７６０６に準拠した単純引っ張り試験の方法で行っている。その結果を図８に示す。図８（ａ）は、比較例としてのバージン炭素繊維の試験結果であり、図８（ｂ）は本実施例によって製造された再生炭素繊維８の試験結果である。本実施例によって製造された再生炭素繊維８は、未使用のバージン炭素繊維と比較して、むしろ強度のばらつきが少なく、バージン炭素繊維に対して平均８０％の強度を有しており、再利用が可能であることが明らかとなった。

本実施例における再生炭素繊維８の製造装置２００と製造方法は、乾留工程Ｓ１において５００℃の水蒸気（過熱水蒸気）を炭化乾留炉の炭化乾留室に供給することを特徴とする。本実施例に係る製造装置２００の炭化乾留炉２０１の構成を図２に示す。実施例１と同一の構成を有する装置及び工程については、同一符号を付与して重複説明を割愛する。

炭化乾留炉２０１は、箱状の本体部２０５と、本体部２０５の内側に配置されている炭化乾留室１０２と、炭化乾留室１０２の下部に配置されている燃焼室２０３と、を備えている。本体部２０５と炭化乾留室１０２との間の空間には、加熱室２１５が形成されている。炭化乾留炉２０１はまた、外部ボイラー２１２と、加熱室２１５内に配置されている過熱水蒸気発生装置２１３と、外部ボイラー２１２から過熱水蒸気発生装置２１３を経由して炭化乾留室１０２の内部に至るまで配管されている水蒸気配管２１４とを備えている。本実施例における過熱水蒸気発生装置２１３は熱交換器である。乾留工程Ｓ１が開始されると、外部ボイラー２１２で予熱された水蒸気が過熱水蒸気発生装置２１３に供給されて、加熱室２１５で更に過熱される。加熱室２１５の温度が５００℃を越えた時点で、過熱水蒸気発生装置２１３から、水蒸気配管２１４を経由して、炭化乾留室１０２に５００℃の過熱水蒸気が供給される。過熱水蒸気の供給は、乾留が終わり、冷却が開始されるまで継続される。

図５に、５００℃の過熱水蒸気が供給されている乾留工程の間の、炭化乾留炉２０１内部の温度変化を示す。ここで、燃焼室２０３の温度計測センサ１４１の温度変化を符号Ａの実線で示し、加熱室２１５の温度計測センサ１４２の温度変化を符号Ｂの破線で示し、炭化乾留室１０２の上部の温度計測センサ１４２の温度変化を符号Ｃの２点鎖線で示し、炭化乾留室１０２の下部の温度計測センサ１４３の温度変化を符号Ｄの１点鎖線で示す。図５に示すように燃焼室２０３の目標温度を８００℃に設定することで、炭化乾留室１０２の温度は、約２．５時間後に５００℃に到達し、最高約６３０℃となった。乾留工程Ｓ１の間、炭化乾留室１０２の耐熱棚上部の温度は最高５６６℃であった。また炭化乾留室１０２の耐熱棚下部の温度は、最高５６３℃であった。これは、実施例１よりも一層迅速且つ均一に炭化乾留室１０２内の温度を昇温させることを意味している。この結果、乾留工程Ｓ１の所要時間は約３時間４０分となった。１００℃の水蒸気を利用する場合の実施例１の乾留工程の所要時間は６時間３０分であったので、過熱水蒸気を使用することによる工程の迅速化という効果は明らかである。

このような工程の迅速化の効果が得られる主な理由は、過熱水蒸気の供給によって炭化乾留室１０２内の温度が均一且つ迅速に上昇し、乾留開始から短時間の間に乾留ガスが発生することにある。乾留ガスは、ガス燃焼用配管１０７を経由してバーナー１０４に供給されて、燃料として使用される。本実施例において、炭化乾留炉２０１は、炉内の温度が５００℃に到達した直後から乾留工程の終了まで、乾留ガス以外の燃料が不要となる自燃状態となり、工程の所要時間を減少させることが可能となった。

図１０に示される様に、本実施例においては、２台の炭化乾留炉２０１ａ，２０１ｂが用いられる。実施例２と同一の構成を有するものについては、同一符号を付して重複説明を割愛する。炭化乾留炉２０１ａの蒸気発生器は、過熱水蒸気発生装置２２４ａを経由して炭化乾留室１０２ａに至る水蒸気配管２２６ａを備えている。この水蒸気配管２２６ａは、炭化乾留室１０２ａの手前で分岐している分岐配管２２７ａを備えている。分岐配管２２７ａは、他方の炭化乾留炉２０１ｂの炭化乾留室１０２ｂまで配管されており、端部が炭化乾留室１０２ｂの内部で開口している。また他方の炭化乾留炉２０１ｂの蒸気発生器は、過熱水蒸気発生装置２２４ｂを経由して炭化乾留室１０２ｂに至る水蒸気配管２２６ｂを備えている。この水蒸気配管２２６ｂは、炭化乾留室１０２ｂの手前で分岐している分岐配管２２７ｂを備えている。分岐配管２２７ｂは、一方の炭化乾留炉２０１ａの炭化乾留室１０２ａまで配管されており、端部が炭化乾留室１０２ａの内部で開口している。炭化乾留炉２０１ａ，２０１ｂのその他の構成は、実施例２の炭化乾留炉２０１と同一である。本実施例の炭化乾留炉２０１ａと２０１ｂとは、乾留工程Ｓ１の開始時期を、時間的にずらしている。そして一方の炭化乾留炉の乾留が終了して冷却段階に入ったときに、過熱水蒸気発生装置によって充分に高温となっている過熱水蒸気を、他の炭化乾留炉の炭化乾留室に供給し、乾留工程Ｓ１の開始時の熱源として供給する。図９に、二つの炭化乾留炉２０１ａ，２０１ｂを交互に運転した場合の、炭化乾留室１０２ａ，１０２ｂの温度分布と時間との関係を模式的に示す。図中、符号Ａで示される温度分布は炭化乾留室１０２ａの温度分布であり、符号Ｂで示される温度分布は炭化乾留室１０２ｂの温度分布である。一方の炭化乾留炉の過熱水蒸気を他方の乾留工程の開始時の炭化乾留室の熱源とすることによって、バーナー１０４で使用する燃料を削減し、より安価に再生炭素繊維８を製造することが可能となる。

図１１に、本実施例の製造装置２３０の構成を模式的に示す。本実施例の再生炭素繊維の製造装置２３０は、二台の炭化乾留炉２０１ａ，２０１ｂが互いに過熱水蒸気を他方の炭化乾留室に供給できる構成を備えていることに加えて、ダンパー２３１を備えた耐熱通路２３２によって、二台の炭化乾留炉２０１ａ，２０１ｂと、連続式炉２３３の加熱領域ＨＺとが連通している。乾留炉２０１ａ，２０１ｂの排熱を連続式炉２３３の加熱領域ＨＺに供給して加熱領域ＨＺを加熱することによって、発熱体２１に供給する電流を削減し、より燃料費を節約して安価に再生炭素繊維８を製造することが可能となる。

図１２に、本実施例の製造装置２４０の構成を模式的に示す。本実施例の再生炭素繊維の製造装置２４０は、一台の炭化乾留炉２４１が、ダンパー２４２を備えた耐熱通路２４３によって、連続式炉２３３の加熱領域ＨＺとが連通している。その他の構成は実施例４と同一である。

以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、以下に示すように、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．

本実施形態の製造方法１において、再生処理空間２に乾留後ＣＦＲＰ２５を搬送するものとして、メッシュベルト４を有するメッシュ搬送部６を使用するものを示したがこれに限定されるものではなく、他のローラーハースキルン等を用いるものであっても構わない。しかしながら、本実施形態のように、乾留後ＣＦＲＰ２５の下方に発熱体２１を配し、加熱する場合、メッシュベルト４を用いることにより、熱の伝搬を良好にすることができ効率的な加熱を行うことができる。

また実施例３では、２台の炭化乾留炉２０１ａ，２０１ｂ互いに過熱水蒸気を供給する場合について説明したが、炭化乾留炉を３台以上用いて、１台の炭化乾留炉が他の２台に過熱水蒸気を供給するように、配管することも可能である。

１ 製造方法（再生炭素繊維の製造方法）
２ 再生処理空間
３ 連続式炉の本体部
７ 加熱除去部
８ 再生炭素繊維
９ 冷却部
１６ 導入口
１７ 排出口
２５ 固定炭素が表面に付着した炭素繊維（乾留後ＣＦＲＰ）
２６ 連続式炉
４０ ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）
ＣＺ 冷却領域
ＨＺ 加熱領域
１００，２００ 再生炭素繊維の製造装置
１０１，２０１ 炭化乾留炉
１０２ 炭化乾留室（炭化ボックス）
１０３，２０３ 燃焼室
１０４ バーナー
１０５，２０５ 本体部
１０７ ガス燃焼用配管
１１０ 耐熱トレイ
１１１ 耐熱棚
１１５，２１５ 加熱室
１４１，１４２，１４３，１４４ 温度計測センサ

Claims (6)

1. 炭素繊維及びマトリックス成分を含有する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装置であって、
   箱状の本体部と、前記本体部の内側に配置されており前記炭素繊維強化プラスチックを収納する炭化乾留室と、前記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、前記本体部と前記炭化乾留室との間の空間に形成されている加熱室と、を備えており、前記炭素繊維強化プラスチックを乾留して前記マトリックス成分の一部を固定炭素に転換し、前記固定炭素を前記炭素繊維の表面に付着させる炭化乾留炉と、
   前記固定炭素が付着した炭素繊維を搬送するメッシュ搬送部と、細長トンネル形状の加熱処理空間とを備えており、前記固定炭素が付着した炭素繊維を連続的に加熱して固定炭素の一部を除去する連続式炉と、
   を備えており、
   前記炭化乾留炉が蒸気発生器を備えており、１００℃以上７００℃以下の水蒸気を前記炭化乾留室に供給することを特徴とする再生炭素繊維の製造装置。
2. 前記蒸気発生器が、５００℃以上７００℃以下の過熱水蒸気を前記炭化乾留室に供給することを特徴とする請求項１記載の再生炭素繊維の製造装置。
3. 複数の前記炭化乾留炉を備えており、
   一方の炭化乾留炉の蒸気発生器から、他方の炭化乾留炉の炭化乾留室に過熱水蒸気を供給する分岐配管が設けられており、
   且つ他方の炭化乾留炉の前記蒸気発生器から、一方の炭化乾留炉の炭化乾留室に過熱水蒸気を供給する分岐配管が設けられており、
   一方の前記炭化乾留炉で発生させた過熱水蒸気を、他方の前記炭化乾留炉の炭化乾留室を加熱する熱源として供給することを特徴とする請求項２に記載の再生炭素繊維の製造装置。
4. 炭化乾留炉の燃焼室と連続式炉の再生処理空間とが耐熱通路で接続されており、
   前記炭化乾留炉からの排熱を前記連続式炉の熱源として供給することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の再生炭素繊維の製造装置。
5. 炭素繊維及びマトリックス成分を含有する炭素繊維強化プラスチックを用いて再生炭素繊維を製造する方法であって、
   炭化乾留炉によって、１００℃以上７００℃以下の水蒸気を供給しつつ前記炭素繊維強化プラスチックを乾留し、前記マトリックス成分の一部を固定炭素に転換して前記炭素繊維の表面に付着させる乾留工程と、
   耐火性素材によって内部に細長トンネル形状の再生処理空間が構築されている連続式炉によって、前記固定炭素が付着した炭素繊維を加熱し、前記固定炭素の一部を除去して再生炭素繊維を得る加熱除去工程と、
   を具備することを特徴とする再生炭素繊維の製造方法。
6. 前記乾留工程において、乾留ガスを自燃状態とすることを特徴とする請求項５記載の再生炭素繊維の製造方法。

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