JP2016036922A - 炭素繊維及び炭素繊維含有樹脂の再生方法並びに炭素繊維粉砕装置 - Google Patents

Abstract

【課題】炭素繊維、プリプレグ、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）から炭素繊維を効率的に再生処理すると共にワイヤソーの各種部品に炭素繊維を使用して軽量化、小型化する。
【解決手段】炭素繊維Ｃを粉砕装置１により粉砕して粉末状にする粉砕工程と、この粉末状にした炭素繊維を樹脂に混練する混練工程と、前記樹脂と混練された炭素繊維含有樹脂を成型部材に成型する成型工程と、を有する炭素繊維の再生方法。また、再生処理された炭素繊維を用いてＣＦＲＰを作成し、ワイヤソーのワークローラ外装体、ワークローラ芯金、ガイドプーリ、スピンドル軸、スピンドル外筒などを作成する炭素繊維の再生方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭素繊維及び炭素繊維含有樹脂（プリプレグ、ＣＦＲＰ）の再生方法並びに炭素繊維粉砕装置に関する。

炭素繊維や炭素繊維含有樹脂（プリプレグ、ＣＦＲＰなど）は、軽量で強度の高い材料として広く知られ、例えば航空機やスポーツ用品（例えば特許文献１）などに広く用いられている。また、最近では、自動車にも用いられるようになってきている。

上記のように炭素繊維や炭素繊維含有樹脂を用いて各種部材を製造するに当たり、例え効率良く１枚のシートからパーツ形状にシートを裁断したとしても、少なからず端材が発生する。また、裁断不良が発生したり、各種部材に成型した後も傷などによって不良品が発生したりする場合がある。これらの端材や不良品については、各種の再生処理が試みられているが、効率良く再生処理する手段がない。

従って、この内の多くの端材や不良品等が、再生処理されずに埋め立て等処分されており、環境上の問題となっている。

また、これらの端材や不良品等が埋め立て処分されるにも大きさの大きなものを粉砕処理する必要があるが、炭素繊維や炭素繊維含有樹脂は、強度的な問題で効率良く粉砕処理する装置がなかった。

特開２００４−２１５８９４号公報

そこで、本発明は、上記炭素繊維や炭素繊維含有樹脂の端材や不良品等を効率良く再生し、炭素繊維を取り出すとともにこの再生した炭素繊維を用いてスピンドルやワイヤソー用のワークローラを再生することを目的とする。また、炭素繊維や炭素繊維含有樹脂の端材や不良品等を効率良く粉砕する粉砕装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、
炭素繊維を粉砕して粉末状にする粉砕工程と、
この粉末状にした炭素繊維を樹脂に混練する混練工程と、
前記樹脂と混練された炭素繊維含有樹脂を成型部材に成型する成型工程と、
を有する炭素繊維の再生方法である。

請求項２の発明は、前記成型部材は、ワイヤソー用の溝ローラ外装体または溝ローラ本体である請求項１記載の炭素繊維の再生方法である。

請求項３の発明は、前記成型部材は、スピンドル軸及び／またはスピンドルの外筒部材である請求項１記載の炭素繊維の再生方法である。

請求項４の発明は、前記樹脂は、熱硬化性エポキシ樹脂、ウレタン、ポリエチレンのいずれかである請求項１乃至３のいずれかに記載の炭素繊維の再生方法である。

請求項５の発明は、炭素繊維を含有した炭素繊維含有樹脂を粉砕して粉末状にする粉砕工程と、
前記粉末状にした炭素繊維含有樹脂から樹脂成分を除去する樹脂成分除去工程と、
前記樹脂成分が除去された炭素繊維を樹脂に混練して成型する成型工程と、
を有する炭素繊維の再生方法である。

請求項６の発明は、炭素繊維及び／または炭素繊維含有樹脂を粉砕する炭素繊維粉砕装置であって、
少なくとも２本の回転軸を備え、
前記回転軸の少なくとも１本は、その外周に軸方向に沿った刃物が形成され、
該刃物は互いに異なる方向に回転するように構成されている炭素繊維粉砕装置である。

炭素繊維を用いて、ワイヤソー用の溝ローラ外装体、溝ローラ本体、ガイドプーリ及び／またはスピンドルを形成するので、ワイヤソーの回転部材を軽量化でき、ワイヤソーのワイヤをより高速で走行させることができる。また、ワイヤを高速で走行できるので、ワイヤソーのワークをより高速で切断することができる。また、ワイヤソーの回転部材を小型化できるのでワイヤソーを小型化できる。

また、炭素繊維に再生したものを使用するので、環境負荷が軽減できる。さらに、炭素繊維含有樹脂を亜臨界処理や溶媒で樹脂を取り除くことができるので、有害物質を排出することなく、炭素繊維を再生することができる。

また、炭素繊維を粉砕する炭素繊維粉砕装置において、少なくとも２本の回転軸を備え、前記回転軸の少なくとも１本は、その外周に軸方向に沿った刃物が形成され、該刃物は互いに異なる方向に回転するように構成されているので、炭素繊維に回転方向のせん断力が付与されると共に回転軸に沿った切断力が付与され、炭素繊維を効率良く粉砕できる。なお、単に炭素繊維だけでなく、樹脂を含んだ炭素繊維含有樹脂であっても同様に効率良く粉砕できる。

は、本発明の一実施形態に係る炭素繊維粉砕装置の一部切欠き斜視図である。 （ａ）は、本発明の一実施形態に係る炭素繊維粉砕装置で炭素繊維または炭素繊維含有樹脂を粉砕する際の説明図である。（ｂ）は、本発明の炭素繊維粉砕装置に用いられる刃物の別の実施形態を表す説明図である。 は、本発明で再生された部材を用いたワイヤソーの一部を省略した概略斜視図である。 は、本発明で再生された部材を用いたスピンドル、溝ローラ及び芯金の断面図である。

本発明の一実施形態について図１乃至図３に基づいて以下に説明する。

図１は、本発明の炭素繊維の再生方法に用いる炭素繊維粉砕装置の一実施形態であり、その一部を切り欠いた斜視図である。図１の炭素繊維粉砕装置１は、本発明の炭素繊維を粉砕して粉末状にする工程に用いられると共に本発明の炭素繊維粉砕装置を構成するものである。

前記炭素繊維粉砕装置１は、矩形状の機台２と、その機台２上に立設された複数の支持枠４と、前記支持枠４に支持され、それぞれが間隔を開けて対向するように設けられた２枚の支持壁５、５と、前記支持壁５、５を支持する複数の支柱６と、前記両支持壁５、５間に軸支された２本の粉砕ローラ７ａ、７ｂと、前記粉砕ローラ７ａ、７ｂを回転駆動するモータ３などを有する。

前記粉砕ローラ７ａ、７ｂは、少なくとも一方の表面に粉砕刃１５（図２参照）を有し、両粉砕ローラ７ａ、７ｂが僅かな間隔または摺接する程度の間隔を保って両支持壁５、５間に軸支されている。また、詳細は後述するが、前記粉砕ローラ７ａ、７ｂのそれぞれの間に挟持された炭素繊維Ｃ（プリプレグ、ＣＦＲＰなどの炭素繊維含有樹脂を含む。以後、単に炭素繊維Ｃという。）が粉砕されるようになっている。

前記粉砕ローラ７ａ、７ｂのそれぞれの軸の一端は支持壁５の外側に突出し、前記両軸は該支持壁５に軸支されている。また、前記粉砕ローラ７ａの軸の先端部分には駆動ギア１１が、前記粉砕ローラ７ｂの軸の先端部分には従動ギア１２が固定されている。また、前記駆動ギア１１の外側には従動プーリ９が前記粉砕ローラ７ａの軸に固定されている。

前記モータ３は、機台２上に固定されている。前記モータ３の軸には駆動プーリ８が設けられ、この駆動プーリ８と従動プーリ９との間にタイミングベルト１０が張設されている。そして、前記モータ３の軸を駆動回転（本実施形態では反時計回り）させることで、それぞれ係合した駆動ギア１１と従動ギア１２とがそれぞれ反対方向に回転し、投入される炭素繊維Ｃが前記粉砕ローラ７ａ、７ｂ間に引き込まれて粉砕されるようになっている。

なお、前記粉砕ローラ７ａ、７ｂのそれぞれの回転比は、粉砕刃１５の形状によって適宜選択でき、それぞれ同じ回転数で回転しても良く、前記粉砕ローラ７ａ、７ｂのいずれか一方が速く回転するようにしても良い（この場合、適宜駆動ギア１１と従動ギア１２のギア比を変更すれば良い。）。

また、支持壁５、５上には、本体カバー１３（図示、一部省略）が形成され、前記粉砕ローラ７ａ、７ｂ上には、内部に向かって傾斜した投入口１３ａが形成されている。前記投入口１３ａから粉砕する炭素繊維Ｃが投入され、粉砕ローラ７ａ、７ｂ間に送り込まれるようになっている。

前記粉砕ローラ７ａ、７ｂの下方には、粉砕された炭素繊維Ｃを回収する回収箱１４が取り出し可能に載置されている。

以上が炭素繊維粉砕装置１の構成であり、次に前記炭素繊維粉砕装置１で炭素繊維Ｃを粉末状に粉砕する粉砕工程について図２に基づいて以下説明する。

図２（ａ）は、前記粉砕ローラ７ａ、７ｂの両方の表面に粉砕刃１５が形成されている場合の実施形態である。粉砕刃１５、１５は、粉砕ローラ７ａ、７ｂの軸方向に沿って僅かに傾斜して設けられた複数の溝の上端部分に形成されている。

ここで、前記モータ３を駆動して粉砕ローラ７ａ、７ｂを互いに反対回転となるよう図示矢印方向に回転させ、投入口１３ａから炭素繊維Ｃを投入する。

投入された炭素繊維Ｃは、前記粉砕ローラ７ａ、７ｂ間に引き込まれ、両粉砕ローラ７ａ、７ｂの表面の粉砕刃１５、１５で細かく粉砕される。本発明の炭素繊維粉砕装置１においては、粉砕刃１５、１５が粉砕ローラ７ａ、７ｂのそれぞれ軸方向に沿って形成されているので、炭素繊維Ｃは、粉砕刃１５、１５で擦り潰すようにしながら細かく粉砕される。なお、必要に応じ、この作業を複数回繰り返しても良い。炭素繊維Ｃの粉砕した後の長さは、１ｍｍ以下となるのが好ましい。

なお、粉砕刃１５、１５を粉砕ローラ７ａ、７ｂの軸と垂直方向に設けることを除外するものではないが、この場合、炭素繊維Ｃは細長く裁断されるので、複数回、粉砕ローラ７ａ、７ｂに通すことが必要となる。

粉砕された炭素繊維Ｃは、粉砕ローラ７ａ、７ｂの下方に設けられた回収箱１４に回収される。回収された炭素繊維Ｃは、回収箱１４から取り出され次の工程に供給される。

図２（ｂ）は、一方の粉砕ローラ７ｂのみに粉砕刃１５を設け、他方の粉砕ローラ７ａには粉砕刃１５を設けない場合の実施形態である。

上記図２（ａ）と同様にモータ３を駆動して粉砕ローラ７ａ、７ｂを互いに図示矢印方向に逆回転させながら、炭素繊維Ｃを投入口１３ａから投入する。

本実施形態においては粉砕ローラ７ｂの一方にだけ粉砕刃１５が設けられているので、投入された炭素繊維Ｃは、粉砕ローラ７ａに押さえ付けられながら、粉砕刃１５で擦り潰すように粉砕される。粉砕された炭素繊維Ｃは、回収箱１４に回収され、次の工程に供給される。

粉砕された炭素繊維Ｃは、樹脂成分を含まない場合は、次の炭素繊維Ｃを樹脂に混練する混練工程に供給され、炭素繊維Ｃが炭素繊維含有樹脂の場合は、次の樹脂成分除去工程で樹脂成分が除去される。

前記炭素繊維Ｃが炭素繊維含有樹脂の場合は、樹脂成分除去工程として例えば超臨界状態や亜臨界状態の溶媒を用い加熱、加圧処理を行なったり、樹脂成分を適宜の溶媒で溶解して、除去することができる。また、適宜の加熱等で樹脂成分のみを揮発させたり、樹脂成分を溶解する溶媒で樹脂成分のみ溶解したりすることで樹脂成分を除去すれば良い。この場合は、揮発成分を除去するフィルタを設けたり、適宜の吸着材を混合したり、あるいは適宜の触媒等を用いて揮発成分を低減したりすることが好ましい。

次に、混練工程で前記炭素繊維Ｃが適宜樹脂（例えば熱硬化性エポキシ樹脂、ウレタン、ポリエチレン）と混練され、成型工程で適宜の形態に成型されて成型部材が形成される。この成型された成型部材を用いたワイヤソーについて図３及び図４に基づいて説明する。

図３は、サファイア、炭化ケイ素、窒化ガリウム、シリコン、水晶などを多数枚のウエハやブロックなどに切断するワイヤソーの一部省略概略斜視図である。ワイヤソー２０は、図示しないリールに巻き掛けられた１本のワイヤ２２を図示しない適宜のガイドローラで案内し、張力を付与した状態で複数の溝ローラ２１ａ、２１ｂ、２１ｃに多数回巻き掛けた後、図示しない回収側のリールに巻き取るものである。

前記溝ローラ２１ａ、２１ｂ、２１ｃには所定の間隔で溝が複数形成されており、前記溝のピッチで１本のワイヤ２２が巻き掛けられてワイヤ列を形成している（理解が容易なようにワイヤ巻き掛けピッチは間隔を開けて描いている。）。

前記ワイヤ２２は、鋼線等でできた芯線の表面に電着、レジンボンドなどでダイヤモンドなどの砥粒が固定されたものが用いられる。なお、遊離砥粒方式のワイヤソーの場合は、芯線ワイヤにダイヤモンドや炭化ケイ素などの砥粒を加工液に混ぜたスラリを供給しながら加工を行うようになっている。

前記ワイヤ２２は、前記溝ローラ２１ａ、２１ｂ、２１ｃを正転、逆転させることで往復運動しながら、所定量ずつワイヤ２２が供給されて、回収側のリールに巻き取られるようになっている。また、前記ワイヤ列の下方には、切断されるワークＷと、該ワークＷに接着され、該ワークＷと共にその一部が切断されるダミー部材２４と、前記ワークＷをダミー部材２４を介して保持するワークテーブル２３と、該ワークテーブル２３を昇降させる昇降モータ２５及びボールネジ２６などが設けられている。

前記ワイヤソー１では、前記ワイヤ２２を一方向走行または往復走行させて、前記ワイヤ列に前記ワークＷを押し付けることで該ワークＷが多数枚のウエハに切断される。

図４は、前記ワイヤソー１における溝ローラ２１及びそれを支持するスピンドル部分の構造を表したものである。溝ローラ２１は芯金４０の外側に圧入等された外装体４１を備える。前記芯金４０は、筒状に形成され、筒の内側はテーパ状に形成されている。この芯金４０のテーパ状部分が、後述するスピンドル３０のスピンドル軸３１先端のテーパ部３１ａと嵌合し、ナット４２を締めることで締結される。

本発明の第１の実施形態においては、前記溝ローラ２１ａ、２１ｂ、２１ｃの外装体４１として、上述した炭素繊維Ｃと樹脂（例えば、熱硬化性エポキシ樹脂、ウレタン、ポリエチレン）とを混ぜて成型した成型部材を用いている。このように炭素繊維Ｃと樹脂を混ぜることで、樹脂だけで形成された外装体４１よりも摩耗が低減でき、外装体４１の寿命を向上できる。また、樹脂だけの外装体４１よりも強度が増すので、溝にワイヤ２２を安定に保持でき、切断精度を向上させることができる。

次に本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態においては、前記溝ローラ２１ａ、２１ｂ、２１ｃの芯金４０に前記再生処理された炭素繊維Ｃを用いた炭素繊維含有樹脂を使用したものである。なお、本発明の再生処理で再生された炭素繊維Ｃを好ましく使用できるが、粉末状にした炭素繊維であれば、本発明の再生処理以外で再生された炭素繊維を用いることができる。

前記スピンドル３０は、スピンドル軸３１と、その外周に設けられた外筒３２とを備える。前記スピンドル軸３１は、外筒３２との間に複数設けられたベアリング３３、３４、３５に軸支されている。前記スピンドル軸３１の一端はテーパ部３１ａが形成されており、前述のように溝ローラ２１が締結されてスピンドル軸３１と一体化されるようになっている。また、スピンドル軸３１の他端は図示しない駆動源と接続され、スピンドル軸３１が回転駆動されるようになっている。前記外筒３２は、ワイヤソー１の本体支持部に固定される。従って、スピンドル軸３１が回転駆動されることで、溝ローラ２１が回転駆動される。

本発明の第３の実施形態においては、前記スピンドル３０のスピンドル軸３１及び／または、外筒３２を前記再生処理した炭素繊維Ｃを用いた炭素繊維含有樹脂で形成したものである。なお、この場合は、熱硬化性樹脂（例えば、熱硬化性エポキシ樹脂）を好ましく使用できる。

本発明の第４の実施形態においては、前記ワイヤソー１のワイヤ２２を所定の方向に案内するガイドローラの外装体を溝ローラ２１の外装体４１と同様に再生処理した粉末状の炭素繊維Ｃにウレタン、ポリエチレンなどの樹脂と混練した成形体を用いるものである。なお、ガイドローラの外装体だけでなく、本体支持部も炭素繊維含有樹脂で構成するようにしても良い。

以上が本発明の実施形態であるが、上記実施形態に限定されず、本発明の範囲内において適宜変更できる。

例えば、成型部材としてワイヤソーのワイヤリール部材や、本体支持部材などにも適宜使用することができる。

Ｃ 炭素繊維（または炭素繊維含有樹脂）
Ｗ ワーク
１ 炭素繊維粉砕装置
２ 機台
３ モータ
４ 支持枠
５ 支持壁
６ 支柱
７ａ 粉砕ローラ
７ｂ 粉砕ローラ
８ 駆動プーリ
９ 従動プーリ
１０ タイミングベルト
１１ 駆動ギア
１２ 従動ギア
１３ 本体カバー
１３ａ 投入口
１４ 回収箱
１５ 粉砕刃
２０ ワイヤソー
２１ 溝ローラ
２１ａ 溝ローラ
２１ｂ 溝ローラ
２１ｃ 溝ローラ
２２ ワイヤ
２３ ワークテーブル
２４ ダミー部材
２５ 昇降モータ
２６ ボールネジ
３０ スピンドル
３１ スピンドル軸
３１ａ テーパ部
３２ 外筒
３３ ベアリング
３４ ベアリング
３５ ベアリング
４０ 芯金
４１ 外装体
４２ ナット

Claims (6)

1. 炭素繊維を粉砕して粉末状にする粉砕工程と、
   この粉末状にした炭素繊維を樹脂に混練する混練工程と、
   前記樹脂と混練された炭素繊維含有樹脂を成型部材に成型する成型工程と、
   を有することを特徴とする炭素繊維の再生方法。
2. 前記成型部材は、ワイヤソー用の溝ローラ外装体または溝ローラ本体であることを特徴とする請求項１記載の炭素繊維の再生方法。
3. 前記成型部材は、スピンドル軸及び／またはスピンドルの外筒部材であることを特徴とする請求項１記載の炭素繊維の再生方法。
4. 前記樹脂は、熱硬化性エポキシ樹脂、ウレタン、ポリエチレンのいずれかであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の炭素繊維の再生方法。
5. 炭素繊維を含有した炭素繊維含有樹脂を粉砕して粉末状にする粉砕工程と、
   前記粉末状にした炭素繊維含有樹脂から樹脂成分を除去する樹脂成分除去工程と、
   前記樹脂成分が除去された炭素繊維を樹脂に混練する混練工程と、
   前記樹脂と混練された炭素繊維含有樹脂を成型部材に成型する成型工程と、
   を有することを特徴とする炭素繊維の再生方法。
6. 炭素繊維及び／または炭素繊維含有樹脂を粉砕する炭素繊維粉砕装置であって、
   少なくとも２本の回転軸を備え、
   前記回転軸の少なくとも１本は、その外周に軸方向に沿った刃物が形成され、
   該刃物は互いに異なる方向に回転するように構成されていることを特徴とする炭素繊維粉砕装置。

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