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PCB技術

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廢棄印刷線路板中環氧樹脂的資源化技術
2020-08-14
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印刷線路板(Printed Circuit Boards,簡稱 PCBs)是 電子工業的基礎,幾乎存在于所有的電子產品中。近年 來隨著國內電子產品報廢高峰的快速到來,以及每年 從發達國家進口的電子廢棄物,都產生了大量的廢棄 線路板。目前對于廢棄印刷線路板中金屬的提取和回 收技術已經比較成熟。然而,對提取金屬后剩余的大量收利用的難題。這些非金屬物質占到印刷線路板組成 的70%~80%,主要由環氧樹脂、玻璃纖維和溴化阻燃 劑等構成。傳統上這些剩余廢棄物直接被填埋或焚 燒處理,不但占用了大量的土地資源,而且還由于這些 廢棄物中含有很多有毒有害物質,容易對周圍環境造 成潛在危害,特別是印刷線路板中含有溴化阻燃劑,在非金屬材料的開發利用則由于沒有合適的技術成為回 焚燒過程中,極易形成對人體極為有害的質——多樣需要政府引導、企業參與。

建議國家組織災區災后 重建招商活動,將東部發達地區優勢企業和外資企業 的技術、管理經驗和營銷網絡引進災區,參與重建工 作,同時推廣損毀資源再利用的新技術與新產品。另外,建筑垃圾受納場或建筑垃圾資源化集中處 置廠屬于城市環保工程,可吸取發達國家經驗,采取政 府提供土地、企業投資建設,市場化運作來實現建筑垃 圾資源化產業發展。
溴代二苯并二惡英和多溴代二苯并呋喃。因此,采用 填埋和焚燒的處理方式對環境存在很大危害,而且也 造成了資源浪費。文中對印刷線路板中環氧樹脂資源 化利用技術進行較詳細的綜述。

1廢棄印刷線路板中環氧樹脂資源化回收 方法

1.1物理法

物理法是指將廢棄印刷線路板復合材料機械粉 碎為粒子,粒徑通常為30?100目,再用水或空氣等流 體將金屬和非金屬粉末分開,在這其中只是改變了材 料的物理形態,其化學性質沒有發生改變。得到的非 金屬粉末主要成分為玻璃纖維、環氧樹脂和各種添加 劑。這些碎屑可作為填料用于制備再生品,如制成建 筑材料、下水道壁、復合材料、涂料、沖浪板等。

1.1.1制作建筑材料及各種模型

許多最初的研究都是把印刷線路板中環氧樹脂 非金屬粉末作為填料嘗試添加到各種產品中,并取得 了一定的進展。把環氧樹脂粉末和黃沙、水泥、水摻在 一起制作各種建筑材料,如:磚、地板等,可以改善建筑 材料的彎曲強度和耐壓強度。利用環氧樹脂粉末還可 以制作各種模型,比傳統的以石膏為原材料制作的模 型具有更好的力學性能和更輕的質量。因此,可以替 代石膏粉,用在雕像、裝飾品及其他的模型中。

1.1.2制作環氧樹脂復合材料

MOU Peng等P1利用印刷線路板中環氧樹脂粉末 作填料來生產復合板。把粉碎得到的環氧樹脂粉末取 代滑石粉和硅石粉作填料添加到環氧樹脂粘合劑中 去,模壓成型制作復合板。這種填料最大的優點就是 它們和環氧樹脂的相容性要明顯高于滑石粉和硅石 粉,與環氧樹脂有較好的吸引力。因此,制成的產品具 有更好的模具加工性能和機械性能。填充比例可達 30%。此外,用回收的印刷線路板環氧樹脂粉末等物 質做成的復合板,更容易成型和打平。
在國內,上海交通大學的研究人員研究把粉碎印 刷線路板得到的含有環氧樹脂的粉末添加到PMC中 替代原先作填料的木粉,粉碎粒徑小于0.07 mm,以單 纖維和環氧樹脂粉末的形式摻到PMC中。最大摻混比 例可以達到40%,且不會對材料的機械性能產生不良 的影響。當添加比例在40%時,PMC模板的彎曲強度 為82 MPa,凹槽破壞強度2.4 kJ/m2,HDT 175丈,電解 質強度為4.8 MV/m。這些性能均優于國家相關標準。 經濟分析表明,利用這種非金屬粉末作填料還可以顯著降低PMC的生產成本。因此,生產該產品具有經濟 和環境上的雙重意義。

1.1.3生產高附加值產品

分析由環氧樹脂印刷線路板粉末生產產品的機 械性能,發現此類產品具有相當好的撓曲強度,耐久性 和抗彎強度。因此,把印刷線路板環氧樹脂粉末用來 生產對此類性能要求比較高的產品時,往往會產生更 高的經濟效益。
生產下水道篦子,在中國大約90%的下水道箆子 是用鑄鐵做成,價格較高,經常被盜,帶來相當大的經 濟損失?,F在采用環氧樹脂粉末等物質制作的下水道 箆子不但價格便宜,而且還具有更優的機械性能,特別 是撓曲強度很高,各項性能指標均滿足中國國家建筑 標準規范的要求(CJ/7130-2001 )。可以廣泛用在人行 道和主干道上。此外,由這種材料生產的下水道篦子 成本較鑄鐵的大大降低。
北京SBL休閑娛樂設備公司還用環氧樹脂粉末 制作的復合材料來生產沖浪艇的甲板。由于沖浪艇的 甲板需要承受較大的彎曲壓力,普通材料較難達到這 個要求,而用環氧樹脂粉末為主要原料開發出的復合 材料具有較高的抗彎強度,制成的沖浪艇甲板性能優 異。目前,采用該材料制作的第一批船已經通過相關 測試,在北京石景山游樂園投人使用。

1.2熱解法

熱解是在缺氧或無氧條件下將有機物加熱至一 定溫度,使其分解生成氣體、液體(油)、固體(焦)并加 以回收利用的過程。近年來有機廢棄物熱解技術以其 較低的污染排放和較高的能源回收率得到越來越多 的應用。采用熱解技術處理廢棄印刷線路板,不僅能 回收印刷線路板中的金屬,也能實現樹脂、玻璃纖維等 非金屬成分的資源化,具有一定的吸引力。一些學者 相繼開展廢印刷線路板熱解技術的理論研究和工程 實踐。熱固性環氧樹脂在熱解作用下,化學鍵斷裂,交 聯網狀的大分子結構分解成有機小分子,以液體和氣 體的形式回收利用,殘留物主要為玻璃纖維等無機化 合物。孫路石等究了熱固環氧樹脂FR-4型廢棄印 刷線路板(主要成分為玻璃纖維增強的溴化環氧樹脂 復合材料)在氮氣氛圍熱解,能得到15%~21%的液體 油、15%~20%的氣體以及60%左右的固體產物。氣體 產物主要為C0,C02,N2,溴苯及一些低級烴類(Cl~ C2)。液體油經過常壓蒸餾后,可以得到4種餾分,分別 為14%的輕石腦油(<120 T:)、30.5%的重石腦油(120~ 180 T;)和7.9%的重石腦油(180~195丈),其余為瀝青。
廢棄印刷線路板中環氧樹脂的資源化技術
Williams. J等^開展了對棄環氧印刷線路板在固 定反應床中800 1下熱解,回收有機物和金屬物質的 研究。產生的氣體,大部分是CO,CO以及幾乎所有的 從C1~C4的烷烴和烯烴,還有一些無機鹵素等。熱解 油中含有高濃度的苯酚、4-(1甲基)苯酚、P-間苯二 酚、雙酚A、TBA、甲基苯酚以及溴苯酚等。熱解油中還 含有相當濃度的有機金屬磷酸鹽化合物,以及TBA熱 解產物等。
對于熱解得到的氣體和液體油經過一定處理后 可以做為燃料直接利用,也可以作為化工原料再合成 環氧樹脂等化工產品。

1.3超臨界法

超臨界法是利用超臨界流體的性質回收有用物 質的方法。超臨界流體(Supercritical fluid SCF)是指溫 度和壓力處于臨界溫度和臨界壓力之上的流體。在此 范圍內超臨界流體兼有氣液兩相的雙重特點,一方面 具有與液體相接近的密度和溶解能力,同時又具有與 氣體相接近的粘度及高擴散系數,表現出很好的流動 和傳遞性能。在臨界點附近,超臨界流體的密度僅是 溫度和壓力的函數,故在合適的溫度與壓力下能產生 合適的密度,從而形成對多種特定物質的溶解、萃取和 分離的能力。國內潘軍奇n采用超臨界方法回收廢棄 印刷線路板實驗中,研究了環氧樹脂粘結材料在超臨 界流體環境中的分解過程和產物。采用超臨界CO和 HO混合流體對廢棄印刷線路板進行資源化利用,其 中的環氧樹脂在220~290 T;這一相對較低的溫度下, 發生了分解反應,較鏈聚合的高分子材料發生鍵斷裂 以及環化重整反應,分解成小分子量的物質,主要分解 產物為苯酚、1或2溴苯酚以及芳香脂肪醚。其分子結 構式與熱解法獲得的產物相似,但由于分解溫度較低, 沒有產生輕重石腦油等液體分解產物,保證了材料的 回收純度。
Altwaiq A M和Wang H T等還對超臨界流體 萃取印刷線路板環氧樹脂的反應中有可能造成二惡 英污染的溴化阻燃劑的去向進行了實驗研究。研究結 果表明,溴化環氧樹脂在超臨界高溫高壓下會發生分 解,產生小分子量的物質,被超臨界流體溶解并萃取 出。400 ^~800 ]0 MPa~20 MPa的超臨界流體條件
下,溴化阻燃物會被流動的超臨界流體萃取并帶出,在 700 ^,25 MPa條件下的超臨界C02流體中,粘結材 料溴化環氧樹脂中超過90%的溴化阻燃劑被萃取帶 出。同時被萃取帶出的還包括樹脂的分解產物苯酚、 甲苯等物質。
在超臨界流體環境中環氧樹脂分解生成的小分 子,經回收處理后即可以做燃料使用,也可以做原料再 合成環氧樹脂等化工產品。此外,超臨界流體萃取環 氧樹脂粘結層后的印刷線路板各層之間可以自然分 離開來,很容易實現不同材料的資源化利用。

1.4化學溶劑方法

化學溶劑法回收印刷線路板中的環氧樹脂,是采 用有機或無機溶劑,將PCBs中熱固性環氧樹脂交聯 網狀結構的大分子鏈打開,生成低分子量的有機化合 物。小分子的有機物作為原料使用或重新合成環氧樹 脂復合材料,殘余的無機化合物則作為填料再次生產 環氧樹脂復合材料或其他產品。久保內昌敏等?在對 環氧樹脂耐腐蝕性的研究中發現雙酚F型環氧樹脂 的耐酸性較低,在硝酸溶劑中能夠被完全分解。根據這 一特性,利用硝酸將脂肪胺類固化劑固化的環氧樹脂 分解成低分子的有機物,再用乙酸乙酯做萃取液將這 些低分子有機物從中萃取出來。得到的萃取物干燥后, 替代部分環氧樹脂,混人環氧樹脂中,經固化劑固化后, 制得再生樹脂。對原樹脂和再生樹脂的機械性能進行 比較,發現再生的環氧樹脂最多可以添加到25%,對 再生品的力學性能影響不大。
目前,國內外采用溶劑法回收環氧樹脂材料的研 究尚處于探索階段,相關文獻報道較少。研究中所使 用的熱固性環氧樹脂復合材料均為實驗室合成,具有 特定結構。與現實中實際的廢棄印刷線路板材質還有 很大區別。但溶劑法回收環氧樹脂為廢棄印刷線路板 的資源化提供了一個很好的方向,具有較好的前景。

2幾種印刷線路板中環氧樹脂資源化方法 的比較

2.1物理法

物理法工藝簡單成熟,廢棄物能夠全部得到利用, 可以緩解焚燒、填埋帶來的環境壓力。目前存在的問 題:(1)作為印刷線路板基材的環氧樹脂成分比較復 雜,用在再生品中會對產品性能帶來一定影響;(2)廢 環氧樹脂目前主要是做填料使用,使用數量受到限制 且再生產品的檔次不高,經濟效益不明顯。

2.2熱解法

熱解法是常用的回收高分子有機物的方法,用在 廢棄印刷線路板的回收中可以減少廢棄物的數量,且 可以回收金屬和部分小分子有機物。但由于印刷線路 板環氧樹脂復合材料中大部分為玻璃纖維等無機填 料,能燃燒的有機物含量并不多,經熱解處理后仍有大量爐渣需要處置。同時環氧樹脂復合材料中所含的溴 化阻燃劑在熱解過程中易產生二惡英等有毒有害物 質。此外,熱解后的尾氣處理不當,會造成二次污染,存 在~■定的環境風險。

2.3超臨界流體法

利用超臨界流體的特殊物理性質來破壞印刷線路板中的環氧樹脂粘結層,并把分解的小分子物質帶走。 除了回收環氧樹脂外,還使得印刷線路板層與層之間 完全分離,從而實現對線路板中不同組分的回收。超臨 界流體資源化法在資源回收率、回收過程的環境性及 所消耗的能源、資源等方面具有明顯優勢,有較好的前 景。但目前,該技術還不成熟,尚處在實驗室研究階段。 2.4溶劑法
溶劑法是分解回收環氧樹脂的一種新方法,能量 消耗較少,處置過程不會有粉塵、煙霧、二惡英和二苯 呋喃等有毒有害物質產生。目前存在的難題:(1)回收 廢環氧樹脂所需溶解時間太長(如硝酸溶解需100 h 以上),需要添加催化劑;(2)溶劑使用量大;(3)溶解后 廢液的處理也是個難題。此外,該技術年處在實驗室階 段,工藝尚不成熟。

3結語

綜合比較上述幾種印刷線路板環氧樹脂資源化的 方法,可以看出物理法具備工藝簡單成熟,投資低,對 印刷線路板中環氧樹脂等各種材料基本上能全部利用 等優點,但是再生產品往往質量不高,還需要在提高再 生產品性能上做進一步的研究;熱解法對設備要求高, 投資規模大,熱解產物經濟價值不高,且存在造成二次 污染的風險,尚不具備推廣條件;超臨界法和化學溶劑 法,思路新穎,但存在工藝尚不成熟、技術難度高和投 資成本大等問題,可作為今后的研究方向。

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