周益輝，丘克強(qiáng)

(中南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

隨著經(jīng)濟(jì)和電子信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，電子電器產(chǎn)品更新?lián)Q代日益加劇，電子廢棄物的回收處理已成為亟需解決的全球性問(wèn)題[1-3]。廢棄電路板是電子廢棄物的重要組成部分，而廢棄電路板上含有大量的焊錫，因此，分離和回收廢棄電路板中的焊錫具有重大的環(huán)保意義和經(jīng)濟(jì)效益。目前，廢棄電路板資源再生技術(shù)有火法[4-6]、濕法[7-12]、機(jī)械破碎法[13-18]和熱解法[19-22]等，但是，至今無(wú)論何種技術(shù)流程，均未能解決好焊錫的回收問(wèn)題：有些技術(shù)回收焊錫十分困難，回收率甚低；有些技術(shù)回收焊錫的成本較高等。因此，如何高效、清潔、低成本回收廢棄電路板中的焊錫至今還是廢棄電路板資源回收技術(shù)中的難題之一。若不解決廢棄電路板中焊錫的回收問(wèn)題，則不僅不能實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用，而且不利于其他金屬(特別是貴金屬)的回收；因此，廢棄電路板中的焊錫回收也是一個(gè)必須解決的技術(shù)問(wèn)題。基于上述原因，本文作者對(duì)廢棄電路板中焊錫的高效回收進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

典型的印刷電路板一般由基板、電子元件和焊錫組成，如圖1所示。本實(shí)驗(yàn)所用廢棄印刷電路板有2種：一種為紙質(zhì)強(qiáng)化酚醛樹(shù)脂電路板(商業(yè)上稱為FR-2)，這種電路板是單層結(jié)構(gòu)，其中不含玻璃纖維；另一種為電腦等電子產(chǎn)品的印刷電路板，它通常由玻璃纖維強(qiáng)化環(huán)氧樹(shù)脂制成(FR-4)，這種電路板具有多層結(jié)構(gòu)。

圖1 典型印刷電路板示意圖Fig.1 Schematic drawing of typical PCB

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

焊錫主要由錫和鉛組成。錫的熔點(diǎn)為232 ℃，鉛的熔點(diǎn)是327 ℃，合金的熔點(diǎn)一般比組成它的任何一種金屬的熔點(diǎn)低，標(biāo)準(zhǔn)焊錫的熔點(diǎn)為183 ℃。若溫度控制在焊錫熔點(diǎn)溫度，則廢棄電路板的其他物質(zhì)基本不會(huì)發(fā)生變化，可利用離心的方法，將熔化的焊錫從基板脫除。為此，研制一種專門設(shè)備，采用柴油作為加熱介質(zhì)將焊錫熔化，利用固液離心分離的原理將焊錫從廢棄電路板中分離，而電路板基板和電子元件則留在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)。這樣，既簡(jiǎn)單又高效地實(shí)現(xiàn)了廢棄電路板焊錫的清潔分離和回收。該裝置由電機(jī)、轉(zhuǎn)鼓、電爐等組成，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)所用的電機(jī)在工作時(shí)能顯示轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)鼓用分離廢棄印刷電路板焊錫設(shè)計(jì)，在其底部和側(cè)面設(shè)計(jì)有均勻的濾孔；密封套和冷卻水套的設(shè)置是為了保證體系的正常工作。

圖2 廢棄電路板焊錫回收裝置示意圖Fig.2 Schematic illustration of equipment of recycling solder

在本實(shí)驗(yàn)中，將待處理的帶有電子元件的廢棄印刷電路板裝入焊錫回收裝置的轉(zhuǎn)鼓中，然后，使轉(zhuǎn)鼓完全浸沒(méi)在油中，連接好裝置后，打開(kāi)冷卻水。升溫至焊錫熔化，控制油溫低于電路板的裂解溫度，并且待溫度恒定后旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鼓，使焊錫從轉(zhuǎn)鼓中迅速濾出，沉積在容器底部。待反應(yīng)器冷卻后，取出廢棄印刷電路板基板、電子元件及焊錫。整個(gè)分離回收過(guò)程如圖3所示。

圖3 焊錫分離回收流程示意圖Fig.3 Solder separation/recovery process

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 轉(zhuǎn)速對(duì)廢棄電路板焊錫回收的影響

實(shí)驗(yàn)溫度為240 ℃，旋轉(zhuǎn)時(shí)間為6 min，采用間歇式旋轉(zhuǎn)，即在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)均勻分6次旋轉(zhuǎn)。改變實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速對(duì)廢棄電路板進(jìn)行焊錫回收處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

當(dāng)轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)廢棄電路板上處于熔融狀態(tài)的焊錫受到重力Fg、離心力Fc和表面張力Fs的共同作用，如圖4所示，其中重力和離心力利于焊錫的分離，表面張力阻礙焊錫脫離。

當(dāng)轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)時(shí)，熔化的焊錫在離心力的作用下從廢棄電路板基板上脫離。設(shè)G為轉(zhuǎn)鼓的重力，ω為轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速，r為旋轉(zhuǎn)半徑，g為重力加速度，則所產(chǎn)生的離心力Fc可由下式確定[23]：

對(duì)于指定的裝置，G，g和r均為常數(shù)。由上式可見(jiàn)：離心力Fc與轉(zhuǎn)速ω的平方成正比，因此，轉(zhuǎn)速ω越大，離心力Fc就越大；當(dāng)轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)，焊錫分離差，但是，隨著轉(zhuǎn)速加快，焊錫分離效果增大；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 400 r/min時(shí)，廢棄電路板上的焊錫已完全脫除，所有焊點(diǎn)無(wú)焊錫殘留。

表1 不同轉(zhuǎn)速下廢棄電路板焊錫回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of different rotational speeds for recycling solder from WPCBs

圖4 熔融焊錫在印刷電路板基板表面的受力示意圖Fig.4 Molten solder on upside (a) and underside (b) of base plates of WPCBs

2.2 溫度對(duì)廢棄電路板焊錫回收的影響

轉(zhuǎn)速恒定為1 400 r/min、旋轉(zhuǎn)時(shí)間為6 min，采用間歇式旋轉(zhuǎn)，即在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)均勻分6次旋轉(zhuǎn)，研究實(shí)驗(yàn)溫度變化對(duì)廢棄電路板進(jìn)行焊錫分離效果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

實(shí)驗(yàn)溫度是焊錫回收的重要影響因素，它決定焊錫熔融的程度。實(shí)驗(yàn)溫度越高，液態(tài)焊錫的黏度越小，從而流動(dòng)性越好，越易從廢棄電路板中分離；因此，在保證廢棄電路板不發(fā)生裂解的條件下，實(shí)驗(yàn)溫度應(yīng)該盡可能高。在220 ℃和230 ℃時(shí)，廢棄電路板上焊錫分離不徹底，有焊錫殘留在基板上的焊點(diǎn)中，但是，230 ℃時(shí)比220 ℃時(shí)回收的效果好。在240 ℃和250 ℃時(shí)，廢棄電路板上的焊錫均可分離完全，焊點(diǎn)中無(wú)焊錫殘留，但是，當(dāng)溫度為250 ℃時(shí)，廢棄電路板基板上有焦炭產(chǎn)生，表面電路板有機(jī)物質(zhì)已發(fā)生裂解。因此，240 ℃應(yīng)為焊錫分離的理想溫度。

2.3 旋轉(zhuǎn)時(shí)間對(duì)廢棄電路板焊錫回收的影響

在轉(zhuǎn)速恒定為1 400 r/min、實(shí)驗(yàn)溫度為240 ℃的條件下，采用間歇式旋轉(zhuǎn)(在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)均勻分6次旋轉(zhuǎn))，考查旋轉(zhuǎn)時(shí)間變化對(duì)廢棄電路板焊錫分離效果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3可知：當(dāng)旋轉(zhuǎn)時(shí)間在6 min以下時(shí)，廢棄電路板上焊錫未能回收完全，有焊錫殘留在焊孔中；時(shí)間越長(zhǎng)，焊點(diǎn)脫落率越高；當(dāng)旋轉(zhuǎn)時(shí)間在6 min以上時(shí)，廢棄電路板上的焊錫已回收完全，焊點(diǎn)中無(wú)焊錫殘留。由此說(shuō)明：旋轉(zhuǎn)時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)焊錫回收更有利?？紤]到節(jié)能，本實(shí)驗(yàn)中旋轉(zhuǎn)時(shí)間選擇6 min為宜。

表2 不同溫度下廢棄電路板焊錫回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of different temperatures for recycling solder from WPCBs

表3 旋轉(zhuǎn)時(shí)間不同時(shí)廢棄電路板焊錫回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of rotational time for recycling solder from WPCBs

表4 不同旋轉(zhuǎn)次數(shù)下廢棄電路板焊錫回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of number of rotational times for recycling solder from WPCBs

2.4 旋轉(zhuǎn)次數(shù)對(duì)廢棄電路板焊錫回收的影響

在轉(zhuǎn)速恒定為1 400 r/min、實(shí)驗(yàn)溫度為240 ℃、旋轉(zhuǎn)時(shí)間為6 min的條件下，研究旋轉(zhuǎn)次數(shù)對(duì)廢棄電路板焊錫分離效果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 4。在總旋轉(zhuǎn)時(shí)間6 min內(nèi)，分別均勻旋轉(zhuǎn)1次、2次、4次、6次。

從表4可見(jiàn)：隨著旋轉(zhuǎn)次數(shù)的增加，焊錫的分離效果增強(qiáng)；分6次旋轉(zhuǎn)時(shí)焊錫已能完全分離，并且分次旋轉(zhuǎn)的回收效果明顯好于一次性旋轉(zhuǎn)的回收效果。

2.5 離心分離焊錫前、后的照片對(duì)比

圖5所示為FR-4型廢棄印刷電路板在不同條件下進(jìn)行焊錫回收實(shí)驗(yàn)前、后的對(duì)比照片。從圖5可見(jiàn)：在焊錫回收效果較差的實(shí)驗(yàn)中，只有極少量的焊錫和電子元件從基板上脫落(如圖5(a)所示)；焊錫回收效果一般的實(shí)驗(yàn)(圖5(b))中，仍有少量焊錫殘留在基板上，少量電子元件仍連接在廢棄電路板上；在焊錫回收效果好的實(shí)驗(yàn)中，電路板基板表面非常干凈，電子元件全部脫離基板(如圖5(c)所示)。部分實(shí)驗(yàn)收集的焊錫如圖6所示。從圖6可見(jiàn)：回收的焊錫性質(zhì)未發(fā)生變化，可直接再次利用或用于精煉錫和鉛的原料。

為了確定使用本方法回收焊錫的回收效果，采用掃描電鏡對(duì)實(shí)驗(yàn)后的基板殘留焊錫狀況進(jìn)行分析。2種脫焊后的廢棄印刷電路板表面SEM照片如圖7所示。從圖7可以看出：電路板表面非常干凈，所有焊錫已脫離基板。這證實(shí)在本實(shí)驗(yàn)中焊錫已完全分離。

圖5 不同條件下FR-4型廢棄電路板焊錫回收實(shí)驗(yàn)照片F(xiàn)ig.5 Photographs of examples of separating solder from FR-4 type of WPCBs under different experimental conditions

圖6 本實(shí)驗(yàn)收集的部分焊錫Fig.6 Recovered solder obtained from some experiments

圖7 2種廢棄電路板焊錫分離后表面SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM photographs of two types of WPCBs base plates after solder separation

3 結(jié)論

(1) 離心分離廢棄電路板焊錫的影響因素有轉(zhuǎn)速、溫度、旋轉(zhuǎn)時(shí)間、旋轉(zhuǎn)次數(shù)。其中，最主要的影響因素為實(shí)驗(yàn)溫度和轉(zhuǎn)速。

(2) 當(dāng)油溫為240 ℃、轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時(shí)，在6 min內(nèi)均勻旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鼓6次，廢棄印刷電路板焊錫即可實(shí)現(xiàn)分離回收。

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