炭素繊維をほぐして再整列させるための方法

この発明は、たとえば炭素繊維などの壊れやすい繊維が、新たな形で再使用され得るようにリサイクルされることを可能にする方法および装置に関する。

複合材料に由来する炭素繊維をリサイクルすること(繊維が回収され得るように繊維を基質から分離すること)は、リサイクルされた繊維が新たな複合材料において補強材として再使用され得るように、リサイクルされた繊維がデシメートル単位で測定可能な長さを有する場合、および、それらが非常に整列された状態で再整列される場合にのみ、有効である。樹脂の98%以上が除去された後でリサイクルされた複合材料は、さまざまな形状およびサイズの炭素繊維布地の積み重ねの形を取り、それらは、それらの現在の状態ではおそらく使用できない。

この発明の方法は、当初織られるように交差され、または織り交ぜられた壊れやすい繊維(たとえば炭素繊維)が、分離され、再整列されて、幅が数センチメートルの連続細片の形、または連続糸の形になることを可能にする。次に、新たな複合材料を作り出すために、それらを、樹脂でコーティングした後のそれらの現在の状態で、もしくは、リサイクルされた炭素繊維半完成品(熱硬化性または熱可塑性樹脂を予め含浸した細片、再構成された繊維、さらには再び織られた繊維)を作り出した後で、再使用することが可能である。この発明の方法は、半分の長さ(10mm〜500mmの長さ)の壊れやすい繊維を、それらが新たな形で再使用され、またはリサイクルされ得るように、再形成するよう意図されている。再形成を必要とする繊維の再使用またはリサイクルは、劣化なく行なわれる。

この発明はまた、リサイクルされた複合物に由来し、1メートル×20センチメートルの矩形内に制限され得る任意の形状およびサイズの布地の断片に特によく適する。布地の断片は、単独で、またはたとえば5つの断片の厚さまで積み重ねられて、入口に導入され得る。布地の断片は、あらゆる任意の方向で入口に導入されてもよい。組ひもの断片も、それらが少なくとも2回の長手方向切断を受けたならば、ほぐされてもよい。この方法は、炭素繊維布地の断片を、再整列された炭素繊維の連続細片に、高度の再整列で、すなわち整列についての標準偏差がほぼ7°で変換する。それは、繊維の95%が+/−14°の範囲にあることを意味し、それらは機械的に損なわれない。または、この方法は、炭素繊維布地の断片を、そのような繊維の連続糸に変換する。炭素繊維の回収を可能にする繊維/基質分離方法は、それが熱分解、加溶媒分解、または溶融塩浴のいずれによって行なわれても高くつき、この廃棄物を処理するコストによって財政的に相殺できない。この頃、複合材料は依然として取るに足りない廃棄物であると考えられ、それらを焼却するかまたは埋めるコストは比較的低い。したがって、炭素繊維をリサイクルするための方法は、リサイクルされた炭素繊維を使用して生成される半完成品の販売を通してのみ、財政的に相殺されるであろう。ここで、デシメートル目盛で測定可能な炭素繊維の長さのみが、炭素繊維の機械的強度が使用されることを可能にし、<10mmの短い、または整列されない炭素繊維の使用は、有機基質が強化されることを可能にしない。その結果、>70mmの長さの繊維を使用し、正確に整列された半完成品の生成のみが、リサイクルされた炭素繊維の機械的観点での価値決めを可能にするであろう。この発明は、半分の長さのリサイクルされた炭素繊維が再成形されることを可能にし、それにより、それらの強度が将来の製品において活用されることを可能にする。

この発明によれば、経糸および緯糸を有する布地の切れ端から繊維、特に炭素繊維をほぐして再整列させるための方法は、第1の整列モジュールの少なくとも2つの壁との連続接触によって前記繊維を再整列させるステップと、第2のモジュールによって成形するステップとを含むことを特徴とする。接触時の繊維の迎え角は、繊維が整列することを可能にする。再整列は、垂線に対して0〜±90°、好ましくは±10°〜±80°で配向された一連の偏向板によって行なわれる。また、垂線に対してたとえば0〜5°の角度を有する第1の対の板と、10〜80°の角度を有する第2の対の板とを提供することも可能である。繊維は、それらが第1のモジュールを通って落下して偏向器に当たるにつれて、整列する。偏向器間での繊維のいかなる固定化も防止するために、第1のモジュールは、たとえば10Hz〜200Hzの周波数での垂直振動運動を与えられる。この運動は垂直に振動しているため、これは繊維の不整列を全く生じさせない。偏向器からの出口は、たとえば幅2.5cmといった繊維の細片の目標サイズに適合するように寸法決めされるであろう。

ある特定の構成によれば、第2のモジュールは回転発振で振動する。このため、より良好な結束を可能にする繊維の若干の混ざり合いを有する再整列された繊維の糸を作り出すことが可能である。

別の構成によれば、第2のモジュールは回転運動を与えられる。 第3の構成によれば、第2のモジュールは並進運動を与えられる。繊維は、偏向器間を落下した後、最終的には整列されてコンベヤベルト上に落下し、それは次に第2のモジュールを構成する。コンベヤベルトは、再整列された繊維の細片を形成するために進む。

有利には、この発明の方法は、結合剤、好ましくは熱可塑性または熱硬化性ポリマー結合剤を添加するステップを含む。ポリマー結合剤は、繊維の結束を保証することを可能にする。結合剤は、たとえばポリアミドまたはエポキシ樹脂であってもよい。

第1の代替形によれば、結合剤は、ほぐされるべき繊維と同時に添加された熱可塑性物質である。熱可塑性結合剤はほぐす時に添加され、この結合剤は次に、炭素繊維が再整列する際にそれらと混ぜられ、混ぜ合わされる。それは、送りモジュールの上方に、炭素布地の隣りにまたはおそらく炭素布地の上方に位置付けられる。

第2の代替形によれば、結合剤は、第1の整列モジュールからの出口で添加される。結合剤は熱可塑性物質または熱硬化性物質であり、それは、第1の整列モジュールの第1の振動モジュールの後で、コンベヤベルトの上方に配置されたホッパーを使用して添加され、それは、結合剤が炭素繊維と混ざることを可能にする。

ある特定の構成によれば、結合剤は熱可塑性繊維からなる。熱可塑性繊維はほぐし中に添加され、これらの繊維は次に、再整列中に炭素繊維と混ぜられ、混ぜ合わされる。これらの繊維は30mm〜500mmの長さを有していてもよく、単純な布地の断片、マット、または単独繊維といった任意の形状で提供されてもよい。熱可塑性繊維は、必要であればほぐされ、炭素繊維と同時に再整列される。

別の構成によれば、結合剤は熱可塑性または熱硬化性粉末からなる。熱可塑性または熱硬化性粉末は、ホッパーとふるいとで構成されたセットを第1の振動モジュールに追加することによって粉砕される。容器の振動により、熱可塑性粉末は落とされ、振動モジュールに位置付けられた炭素繊維と混ぜられる。

有利には、この発明の方法は、ポリマー結合剤を活性化し、加圧するステップを含む。活性化は、 − 熱可塑性物質または熱硬化性物質の場合の加熱、 − 熱硬化性物質の場合の照射、 − 加熱炉、 − 放射ランプ、 − 加熱ローラ、 − UVランプ、 − 加圧ローラ上での一体型加熱、 − またはマイクロ波発振器、 であってもよい。このため、ほぐされた繊維とポリマー結合剤とでプリフォームを作り出すことが可能である。

この発明はまた、第1の格子および第2の格子という2つの格子を含むほぐしツールを含む装置であって、2つの格子の下に配置された第1の整列モジュールと、第1の整列モジュールの下流に位置付けられた第2のモジュールとを含むこと、および、第1の整列モジュールは、90°≦α≦0および90°≧β≧0であるようなそれぞれの角度αおよびβだけ垂線に対して傾斜する平面で構成された少なくとも2つの偏向器を有し、前記第1の整列モジュールは下部に開口を有することとを特徴とする、装置に関する。

第2の格子は支持格子であり、その機能は、櫛の歯の貫通を容易にするために布地の切れ端を支持することである。第1の格子ははぎ取り格子であり、それは、櫛から繊維を取り除くことを可能にする。2つの格子は重ね合わされても重ね合わされなくてもよく、一方が他方の上流にあるようにずれていてもよい。格子が重ね合わされている場合、第1の格子は上部に位置し、第2の格子は第1の格子より下の下部に位置する。後者の場合、第1の格子は下流に位置し、第2の格子は上流に位置する。第1の格子は、ほぐし終わりに櫛に残った糸を取り除くことを可能にするであろう。

第1の整列モジュールは、垂線に対して0〜±90°、好ましくは±10°〜±80°で配向された一連の偏向板からなる再整列トレイを含む。繊維は、トレイを通って落ちて偏向器と衝突するにつれて、整列する。第1の整列モジュールのトレイは底がなく、第2のモジュールの上にある。

ある特定の特徴によれば、第2のモジュールは、可撓性材料で作られた傾斜トレイを含み、傾斜トレイは、前記トレイの底で回転運動を作り出す垂直揺動運動で駆動される2つの縁を有する。第2のモジュールは、トレイの底で「回転」運動を生み出すその縁の交互の垂直運動によって得られる回転発振運動を与えられる。この運動は、繊維の若干の混ざり合いを引き起こし、糸を生成する効果を有する。

有利には、第2のモジュールはコンベヤベルトを含む。コンベヤベルトは、再整列トレイの下に配置される。繊維は、偏向器間を落ちた後、最終的には整列されてコンベヤベルト上に落ちる。コンベヤベルトは、再整列された繊維の細片を形成するために進む。

有利には、第1の整列モジュールの上方に、ホッパーが位置付けられる。このホッパーは、その下端に微細な穴があけられ、第1の整列モジュール上に固定される。それは、たとえばポリアミド粉末などの熱可塑性ポリマー粉末で、または、たとえばエポキシ樹脂などの熱硬化性粉末で充填され、それにより、好ましくは約0.5〜5%、好ましくは約2%のポリマーを含むであろう炭素繊維の細片が次に加熱され圧縮され得るように、再整列中に粉末が添加されることを可能にする。

有利には、第2のモジュールの後に回転チューブが続く。この剛性チューブは、その回転運動を通して繊維の混合を向上させることを可能にする。

ある特定の構成によれば、この発明の装置は、第2のモジュールの下流に位置付けられた、結合剤を活性化する手段を含む。繊維は、再整列段階からの出口で、熱可塑性物質または熱硬化性物質を振り掛けられた細片を構成し、活性化され圧縮されて、次に、こびりつかない熱可塑性フィルムの内側で巻き上げられる。

有利には、第1の格子は平行剛性ロッドで生成され、第2の格子は平行板で生成される。第2の格子は、ロッドの代わりに、垂直に位置付けられた平行板から作られる。このため、この格子はより剛性が高く、一端だけで保持可能であり、したがってほぐし終わりで中断可能である。ほぐし中に炭素繊維を滑らせるために、プレートはそれらの上部が研磨される。

有利には、平行板はそれらの下流端で湾曲される。これは、ほぐされていないあらゆるものが落下することを可能にする。

有利には、第2の格子の下流端に、収集トレイが位置付けられる。ほぐされていないあらゆるものを収集するために、収集トレイは第2の格子の湾曲端のレベルで追加される。

この発明はまた、リサイクルされた炭素繊維の長さが20〜250mm、好ましくは100〜250mmであることを特徴とする、整列されたリサイクルされた炭素繊維の細片に関する。これらの長さは、それらが通常得られるリサイクルされた炭素繊維よりも使いやすいため、特に魅力的である。

有利には、細片は、熱可塑性または熱硬化性ポリマー結合剤などのポリマー結合剤を含む。好ましくは、この発明に従った繊維の細片は、およそ0.5〜5%の、特におよそ2%のポリマー結合剤を含む。

この発明はまた、リサイクルされた炭素繊維の長さが20〜250mm、好ましくは100〜250mmであることを特徴とする、整列されたリサイクルされた炭素繊維の連続糸に関する。連続糸は、繊維糸になるようひとまとめにされた、リサイクルされた炭素繊維で構成される。今日の方法は、連続糸がリサイクル繊維から得られることを可能にしない。

有利には、連続糸はポリマー結合剤を含む。炭素繊維は、熱可塑性または熱硬化性ポリマー結合剤などのポリマー結合剤と混ぜられる。ポリマー結合剤は、より良好な完全性を細片または糸に与える。好ましくは、この発明に従った繊維糸は、およそ0.5〜5%の、特におよそ2%のポリマー結合剤を含む。

特別の定めのない限り、本発明におけるパーセントは質量パーセントである。 本発明で使用されるような「およそ」という用語は、値の前後±10%にわたる間隔を示す。

他の利点は依然として、添付図面によって示され、例として与えられる以下の例を検討することから、当業者には明らかとなるであろう。

この発明に従った装置の全体側面図である。

横から見たほぐしツールの詳細を示す図である。

横から見たほぐしツールの詳細を示す図である。

断面で見たほぐしツールの詳細を示す図である。

この発明の第1の実施形態に従った装置の下流部分の側面図である。

第2の振動モジュールの断面図である。

第2の実施形態に従った装置の下流部分の側面図である。

第2の振動モジュールの第2の実施形態の断面図である。

この発明の第3の実施形態の断面図である。

図8の断面図である。

この発明の第4の実施形態の側面図である。

得られた製品の図である。

装置の最終部分の側面図である。

上部とは図の上部であること、および、上流部分は装置への入口にあり、下流部分は出口にあることが考えられるであろう。

図1に示す装置1は、送りモジュール2と、ほぐしモジュール3と、再整列モジュールすなわち振動モジュール4とを含む。さまざまなモジュール2、3および4は、金属構造5上に配置される。

送りモジュール2は、ピンまたは粗いPVCを使用して生成された粘着ベルト20を含む。布地の切れ端が、ベルト20の先頭200に導入される。モジュールの接地面積を減少させるとともに、ほぐしモジュール3の上部でほぐしを同時に行ないながら送りを実現可能にするために、ベルト20はある傾斜を有する。ベルト20の出口201では、布地の切れ端がほぐしモジュール3に進むにつれてそれを付着させるために、加圧ローラ202がある圧力を印加する。ベルト20は、電気モータ203によって駆動される。

ほぐしモジュール3は、 − 少なくとも1つの滑車310の周りを回転するコンベヤチェーン31上に搭載された金属櫛30と、 − コンベヤチェーン31の下に配置され、第1の格子32および第2の格子33を構成する、2つの一連の平行線320および330と、 − コンベヤチェーン31を駆動するための電気モータ34、 とを含む。

第1の整列モジュール4は振動システム44を含み、振動システム44はここでは、可撓ブレード41(この例では、これらのうちの4つ)上に配置された発振トレイ40と、シュート40を発振させるように接続ロッドクランクシステム43によって前記シュート40に接続された電気モータ42とからなる。

図2、図2aおよび図3は、櫛30と平行線320、330の2つの格子32、33との詳細を示す。各櫛30は、いくつかの歯300を有する。第2の格子33の端にトレイ50が追加され、それは下流端331で湾曲した形状を有し、まだほぐされていないあらゆるものがほぐされた繊維と組合わさることを防止する。この例では、格子が重ね合わされる場合にはほぐし長さ全体にわたり(図2)、または好ましくはほぐし終わりでほぐし長さの少なくとも一部にわたり(図2a)、櫛30と第1の格子32との間の最大距離d₁が2mmとなるように、第1のほぐし格子32は、直径が大きい(4〜6mm)剛性ロッド320を使用して生成される。

第1の格子32は密であり、各対の歯300の間にロッド320がある。保持する第2の格子33は、第1の格子32でのようなロッドの代わりに、垂直に位置付けられた平行板330を使用して生成される。このため、この第2の格子33はより剛性が高く、その端の一方である上流端だけで保持可能であり、したがってほぐし終わりのレベルで中断可能である。ほぐし中に炭素繊維を滑らせるために、プレート330は、それらの上部が研磨されるかまたはプラスチックフィルムでコーティングされる。ほぐされていないあらゆるものを落下させるために、板330はそれらの端331で曲げられる。

この第2の格子33は剛性を有するため、それは、図2の重ね合わされた2つの格子間の隙間を最大で5mmの距離d₂に制限すること、および、密に織られたまたは積み重ねられた布地のほぐしを向上させることを可能にする。

図4では、第1のモジュール4は(たとえば)幅50mmの平らな底を有する凹状トレイ40を含み、(たとえば)幅50mmの再整列された繊維の細片を生成することを可能にする、ということが見られ得る。この発明に従った第1のモジュールは、図8および図9に示すような第1のモジュール4で構成される。第1のモジュール4の下流に第2のモジュール6が位置付けられ、より良好な結束を可能にする繊維7の若干の混ざり合いを有する、直径がたとえば25mmの再整列された繊維の糸を作り出すことを可能にする。第1のモジュール4は低周波数の水平揺動運動を有しており、第1のモジュール4とは異なる運動を与えられた第2のモジュール6によって補われる。第2のモジュール6は、第1のモジュール4の下流に位置付けられた、凹状で可撓性のある再整列トレイ60を含み、図4では、一方の端61は第1のモジュール4に固定され、その端62は自由であり、この発明では、それは第1のモジュール4の開口より下に位置付けられるであろう。トレイ60は可撓性を有するため、それはトレイ40とは異なる運動を与えられ得る。トレイ60は、トレイの底で「回転」運動を引き起こす交互の垂直揺動運動を与えられる。この運動は、繊維7の若干の混ざり合いを引き起こし、糸を生成する効果を有する。

図6および図7は、第2の実施形態を示す。第2のモジュール6は、回転運動を与えられた回転チューブ63を含む。

図8および図9は、第3の実施形態を示す。第1の振動モジュール4は、底なしトレイ40、または開口403を有するトレイを含み、それは一連の偏向板400で構成され、再整列された繊維7は次に、トレイ40の下に位置付けられたコンベヤベルト401上に落下する。偏向板400は各々、垂線に対して0〜90°、好ましくは±10°〜±80°の対角αおよびβで配向される。繊維7は、トレイ40を通って落下して偏向器400と衝突するにつれて、整列する。トレイ40は底がないため、繊維7は偏向器間を落下し、最終的には整列されてコンベヤベルト401上に落下する。コンベヤベルトは、それが進むにつれて、再整列された繊維7の細片を形成するであろう。偏向器間での繊維のいかなる固定化も防止するために、トレイ40は、10Hz〜200Hzの周波数を有する垂直振動運動を与えられる。この運動は垂直に振動しているため、それは繊維の不整列を生じさせない。

図10は、微細な穴があけられたホッパー402が第1の再整列モジュール4上に固定される第4の実施形態を示す。このホッパー402は、熱可塑性粉末70で、たとえばポリアミドで充填される。ホッパー402は、その下端に微細な穴があけられている。このため、再整列モジュール4は、振動することにより、微細な穴があけられたホッパー402から熱可塑性粉末70を落下させ、繊維7を有する再整列トレイ内に落とす。再整列中、熱可塑性粉末は炭素繊維と混ざる。熱硬化性物質を使用することも可能である。

たとえばポリアミドで作られた熱可塑性繊維71を使用することも可能である。これらは、送りモジュール2上に、炭素布地の隣りにまたはおそらく炭素布地の上に位置付けられる。これらの繊維71は30mm〜500mmの長さを有していてもよく、(ニットを除き)任意の形状を取ってもよい(単純な織布の破片、マット、または単独繊維など)。熱可塑性繊維71はほぐされ、炭素繊維と同時に再整列される。再整列中、第1のモジュール4は、炭素繊維7を熱可塑性繊維71と混ぜる。繊維7および71の混合を向上させるために、第2のモジュール6は好ましくは、水平軸の周りを回転する剛性回転チューブ63を含むであろう。

図12は、装置の下流部分を示す。コンベヤベルト401は、熱可塑性粉末70および/または熱可塑性繊維71を含む、半分の長さの炭素繊維7の連続細片72を搬送する。コンベヤベルト401の端で、炭素繊維の細片72は、熱可塑性粉末70または熱可塑性繊維71の融点よりも高い温度に加熱された回転ローラ8上に堆積される。このため、熱可塑性粉末および/または繊維は溶ける。加熱ローラ8は、回転するにつれて細片72を搬送し、それは次に加圧ローラ80と加熱ローラ8との間で圧縮され、このため、溶けた熱可塑性粉末によって炭素繊維がくっつくようになり、繊維はまとめられて、まとまった細片73となる。まとまった細片73は、コンベヤベルト401と同じ速度で進む熱可塑性フィルム74に堆積される。まとまった細片73は、その熱可塑性フィルム74の内側で、取外し可能なロール75上に巻きつけられる。

装置1の動作モードおよび対応するほぐし整列方法を、ここで説明する。 入力側で使用され導入された布地の切れ端は、単位面積あたりの質量の点、および織りタイプの点で、本質的に可変である。送りモジュール2は緩衝器として作用し、オペレータが著しい量の積み重ねられた布地の切れ端を導入することを可能にし、それらは次に、次のモジュール上へと次第に移動されるであろう。いくつかの切れ端を同時にほぐすことは、特にこれらが薄い場合に可能である。制限は、格子32、33間の距離に関連しており、単数または複数の切れ端がこれら2つの格子32、33間を通過できることが必要である。

ほぐしは、好ましくは金属製でコンベヤチェーン31上に搭載された櫛30によって行なわれるが、それらは、コンベヤタイプのベルト、駆動ベルト、ケーブルなど以外に、長方形の運動を提供する他の種類の装置に搭載されてもよい。櫛30の線速度がベルト20の速度よりも10倍速いように、モータ34の回転速度が選択される。歯300は、布地の切れ端を貫通し、その緯糸の一部をそれらとともに運ぶ。歯300が緯糸を貫通することを保証するために、切れ端は、格子を形成する一連の平行線33上で保持される。切れ端において歯300が係合されると、それらは布地を引っ張り、これは、切れ端をベルト20にしっかりと押し付ける加圧ローラ202によって補償される。このシステムは、加圧ローラ202によって把持される布地の面積が小さい場合でも非常に効果的である。ほぐされていないあらゆるものは、それが整列トレイ内に落下するのを防止するためにトレイ50に収集され、次にマシンの入口で再導入される。

繊維がいったんほぐされると、それらは重力により、ばねとして作用する可撓ブレード41上に搭載されたトレイ40内に落下する。発振は、偏向器400の壁に対する繊維の連続衝突を通して前記繊維を高速で自己配向させる、規定された振幅および規定された周波数の往復運動である。この運動は、たとえば電気モータ42と接続ロッドクランクシステム43とからなる振動システム44を使用して得られる。変速器は、発振の周波数が調節されることを可能にする。シュート40の揺動運動および傾斜は、繊維が整列し、細片を形成することを可能にする。第2のトレイ60は、より優れた結束を可能にする繊維7の若干の混ざり合いを有する再整列された繊維の糸を達成することを可能にする。

第3の実施形態では、再整列システムは、繊維の細片の自動的および連続的回収を可能にする。細片の連続的回収はまた、繊維の手動収集中の不整列を回避することを可能にするであろう。

繊維7の完全性を向上させるために、ポリマー結合剤、たとえば熱可塑性ポリマー結合剤が添加されて、溶かされた後でまとめられ、次に固化された炭素繊維の細片を作り出すことを可能にする。このため、ポリマー結合剤を振りかけられ、再整列段階を出た細片は、加熱され圧縮されて、次に、こびりつかない熱可塑性フィルムの内側で巻き上げられる。

リサイクルされた炭素繊維の細片は搬送され、まとめられ、巻き上げられる。こうして、半連続的な炭素繊維の細片または連続糸は、ロールの形をした連続的な半完成品になり、それは、複合材料を採用し、樹脂含浸前に金型の底に適合させ位置付けるために切断する産業において直接使用可能である。

要約すると、この発明に従った装置は、偏向器を有する底なしトレイで構成された第1の整列モジュール4と、それに続く、繊維が内部に落ちる第2の整列モジュールとで構成される。この第2の整列モジュールは、回転運動を有する可撓性トレイを有し、おそらく糸の生成用の回転チューブが続く、水平に発振する剛性トレイ、または、オプションでまとめられ得る平らな細片を生成するために結合剤を活性化するためのシステムをオプションで含むコンベヤベルトで構成される。