废旧印刷线路板热解处理的可行性分析（PDF35页）

电路板元器件拆卸方法及拆卸力研究电路板元器件拆卸方法及拆卸力研究摘要近年来，电子垃圾的产生量迅速增加。电子垃圾成分复杂，处理不当会给环境和人体健康带来严重的危害。然而，电子垃圾具有高价值性，随意丢弃也造成了资源的浪费。印刷电路板是城市垃圾中增长速度最快且具有较高回收利用价值的一类有害固体废物，对其回收及资源化利用不仅可以减轻环境污染而且可回收有用成分。在众多的回收电路板的方法中，物理法回收由于避免了湿法冶金中带来的产品干燥与污泥处置和火法冶金中耗能高与二次污染等难题，具有一定的优越性。电路板的物理法回收首先要对电子元器件进行脱焊。脱焊过程有两个关键的步骤：脱焊的加热方法的选择和对脱焊的拆卸力的研究。目前，拆除印刷电路板元器件过程中，使焊锡熔化的常用的加热方法主要有空气加热、红外线加热、激光加热和液体加热等。拆除元器件的拆卸力按照元器件封装技术的不同而不同。本文在分析和比较国内外现有电路板电子元件拆除技术的基础上。通过比较空气加热、红外线加热、激光加热和液体加热四种脱焊加热方式，建立脱焊方法评价模型，得出液体加热方式的优越性。然后分析实验装置冲击力的大小，研究元器件引脚的特点对拆卸力的影响，建立电路板上元器件的拆卸力模型。根据影响拆除力的因素，用正交试验设计方法，安排拆卸插装元器件的实验。最后，求解冲击电路板拆卸元器件的最优实验条件。关键字：电路板；电子元件；拆卸方法；拆卸力1．1课题研究的背景及意义第一章绪论进入21世纪，与高科技产业相关的电子信息技术发展迅速，电子技术及其载体的更新换代速度加快，为社会创造大量财富的同时，电子垃圾的产生量也迅速增加。电子垃圾就是废弃不用的电子设备、电子电器的零部件，主要包括报废的家用电器，如电视机、电冰箱、洗衣机、空调、电脑等，以及各种通讯类的电子设备，如废旧的手机等淘汰品。电子垃圾种类繁多，数量极大。对于电子垃圾年产生量占城市垃圾的比例，日本、美国、欧盟分别为1％，2％'---5％和4％，并且以每5年16％-28％的速度增长，相当于城市垃圾增长速度的3---5倍【11。在国内，电子产品的应用日益广泛，已经渗透到生活的各个领域，按社会保有量测算，每年有400万台电冰箱，600万台洗衣机，500万台电视机和电脑以及近1000万部手机被淘汰f21。此外，发达国家将大量的电子垃圾倾倒到我国，如美国所收集的电子垃圾80％出口到亚洲，其中90％进入我国pJ。电子垃圾具有高价值性。电子垃圾主要含有铜、铁、铅、铬、汞、镉、镍、金、银、钯等金属成分和聚氯乙稀、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯对苯二甲酸酯等塑料，此外还含有溴化阻燃剂、调色剂、表面涂层等【4J。其中电子垃圾的典型代表——废旧电路板的组成成分及含量见表1．1。表1．I废旧电路板的成份吲成分含量成分含量成分含量Ag33009／tCd0．015％。Sb0．06％。A14．7％。C11．74％。Se419／tMg1．9％。Cr0．05％’Sr10鲈As0．01％。Cu26．8％+Sn1．O％‘Au809／tFO．094％+Telg／tS0．10％。Fe5．3％。Ti3．4％。Ba2009／tGa359／tSe559／tBe1．19／tMn0．47％’I2009／tBiO．17％。Mo0．003％。Hglg／tBrO．54％。Ni0．47％’Zr309／tC9．6％。Zn1．5％。Si0215％+注：。质量百分数酣：克／吨表1。1表明，电子垃圾中含有丰富的金属资源，如果能够有效的回收，则省去了采矿中勘探、开采过程，节省了开采费用、降低了矿石的加工成本等。其次，电子垃圾中的非金属材料还可以用来充当填料，迸一步资源化其中的能源价值。然而，电子垃圾成分复杂，处理不当会给环境和人体健康带来严重的危害。我国的浙江等沿海地区，一些小规模、家庭作坊式的私营企业，采用手工拆卸、露天焚烧或直接酸洗等落后的技术，对电子垃圾进行回收。获得容易提取的金属和电子元器件后、残余物被直接丢弃到田地、河流或水渠中，导致重金属和持久稳定有机物污染环境。Yu等【6】在研究了广东贵屿镇的电子垃圾回收对土壤中多环芳烃分布影响。结果发现，多环芳烃含量范围为44．8～3206pg／kg，含量高低按递减顺序排列依次是露天焚烧场地(2065Itg／kg)、焚烧场地附近(8519／kg)、稻田(354pg／kg)、水库(1251xg／kg)，主要的多环芳烃是萘、菲、荧葸，它们主要来自于电子垃圾的不完全燃烧。Leung等t7】对广东贵屿镇回收处理电子垃圾的环境污染情况进行了研究，结果表明，打印机碎片的倾倒处多环芳烃的浓度为593pg／kg，池塘底泥中多环芳烃的含量为514pg／kg。江河底泥中多氯联苯含量为7431．tg／kg，大约是加拿大环境质量标准(277pg／kg)的3倍。电子垃圾对人体健康具有很大的影响。电子垃圾回收处理中产生的有毒污染物主要是重金属(如Cd、Pb、Cr、Hg等)和持久稳定的有机物如多环芳烃、多溴联苯醚、等。长期以来，由于这些有毒有害物质的污染越来越严重，对人们的身体健康构成很大威胁。铅在环境中富集，其毒性主要是损害神经系统、血液系统、肾脏和干扰内分泌系统。铅进入孕妇体内会影响胎儿发育，造成畸形，并且影响儿童智力发育【3】。汞进入水体后，可转化成甲基汞，通过食物链在生物体内富集，可导致神经系统慢性损伤【91。镉的化合物被列为有毒物质是由于可能对人体产生不可逆的损害，它可在体内富集，尤其在肾脏中；镉化合物可通过呼吸或食物进入人体，由于它的半衰期长而容易富集到导致中毒的量[10】。铬可引起各种毒性作用，如导致人体严重的过敏反应和DNA损伤；铬的毒性与其存在的价态有关，六价铬容易透过细胞膜而被吸收并在体内蓄积，其毒性比三价铬高100倍【11】。多溴联苯醚、多氯联苯、多氯联苯．p一二氧杂芑或呋喃和多环芳烃等持久稳定的有机化合物己成为各国普遍的污染物，并且可通过呼吸、饮用水和食物链在动物体内富集【12】。电子垃圾中的重金属和持久稳定的有机物在各种回收处理过程中释放、迁移和转化进入环境，造成严重的环境污染，使电子垃圾处理厂工人和周围居民暴露于这些污染物，其健康受到影响。废旧电子产品中的有害物质及其危害【13】见表1．2。2表1．2废旧电子产品中的有害物质及其危害‘”1名称用逢，盥置主要危害金属接头，辐射屏蔽／阴极射线损伤中枢和周围神经系统，循环系统及肾脏；对内铅管，印刷电路扳分泌系统有影响；严重影响大脑发育慢性大脑，肾脏，肺，及胎儿损伤：血压升高，心汞电池，开关／罩盒．印刷电路板率加快．过敏反应，影l响大脑功能和记忆力；可能是人类致癌物质装饰部件，便化剂，(钢铁)罩溃疡，痉挛，肝及肾损伤，强烈的过敏反应，哮喘惰性支气管炎．可能会引起DNA损坏：一种已知的人盘类致癌物结构件，导体／罩盒，阴极射线皮疹．目骼疾病，呼吸道疾病，包括哮喘。与老年铝管，印刷电路板，接头痴呆症有关溴化阻机壳塑料、电路板多溴二苯醚会干扰内分泌并影响胎儿发育，多溴联燃剂苯会增加消化和淋巴系统忠癌症的风险氟利昂制冷剂cFc一12、发泡剂CFC一11破坏臭氧层综上所述，无论从环境保护角度还是资源再利用的角度讲，都有必要对电子垃圾进行资源化。印刷电路板是城市垃圾中增长速度最快且具有较高回收利用价值的一类有害固体废物，对其回收及资源化利用不仅可以减轻环境污染而且可回收有用成分。我国人均资源有限，作为循环经济的重要内容，再牛资源产业的发展无疑是实现可持续发展的重要内容。2废弃电路板的组成结构电路板是目前应用最普遍的电子部件，几乎在所有的电子电器设备中都有它的存在，其复杂的结构、众多的材料组成，一直是废旧电了=电器产品回收中的难点。电路板主要由线路板、电子元件和焊锡三部分构成。线路板是印制线路板的简称，线路板和电路板(PCB)的区别是线路板不包括电子元器件。在线路板上焊接上电子元件即成为电路板，普通废l[11电路板的结构如图lI所示。图11电视机电路板的结构线路板是由基板光蚀刻或化学铜沉淀加工而成，将玻璃纤维等强化材料通过上胶机和环氧树脂等粘结材料交联形成粘结片，然后再在层压机中将粘结片和铜箔按照设计要求层叠起来，粘结片受热受压先软化、熔融，高分子物变为粘流态，随着温度逐步升高和时间增加，固化剂和环氧树脂起固化反应，固化反应完成后，粘结片与铜箔层牢固粘结而成基板，线路板基板材料结构示意图【14J如图1．2所示。线路板按照材料的性质来划分，基本上可以分为纸基印制板、环氧玻纤布印制板、复合基材印制板、特种基材印制板等多种基板材料。(1)纸基印制板这类印制板使用的基材以纤维纸作增强材料，浸上树脂溶液(酚醛树脂、环氧树脂等)干燥加工后，覆以涂胶的电解铜箔，经高温高压压制而成。按美国ASTM／NEMA(美国国家标准协会／美国电气制造商协会)标准规定的型号，主要品种有FR．1、FR．2、FR．3(以上为阻燃类)、XPC、xxxec(以上为非阻燃类)。(2)环氧玻纤布印制板这类印制板使用的基材是环氧或改性环氧树脂作黏合剂，玻纤布作为增强材料。这类印制板是当前全球产量最大，使用最多的一类印制板。在ASTM／NEMA标准中，环氧玻纤布板有四个型号：G10(不阻燃)，FR．4(阻燃)；G11(保留热强度，不阻燃)，FR．5(保留热强度，阻燃)。在全球产量上FR．4占绝大部分。(3)复合基材印制板这类印制板使用的基材的面料和芯料是由不同增强材料构成的。使用的覆铜板基材主要是CEM(compositeepoxymaterial)系列，其中以CEM．1和CEM．3最具代表性。CEM．1基材面料是玻纤布，芯料是纸，树脂是环氧，阻燃；CEM．3基材面料是玻纤布，芯料是玻纤纸，树脂是环氧，阻燃。复合基印制板的基本特性同FR一4相当，而成本较低，机械加工性能优于FR．4。(4)特种基材印制板金属基材(铝基、铜基、铁基或因瓦钢)、陶瓷基材，根据其特性、用途可做成金属(陶瓷)基单、双、多层印制板或金属芯印制板。目前，回收的废旧电路板主要是纸基印制板和环氧玻纤布印制板。线路板是电子元件的载体，用来连接多个电子元件，电子元件实现了电子电器的各项功能。电路板上电子元件的连接技术主要有两种，即表面贴装技术和通孔插装技术，因此电子元件又可以被分为表面安装元件和通孔插装元件，4例如计算机主板(VT5099D)上电子元件的统计【15】如表1．3所示。表1．3计算机主板(VT5099D)各种电子器件统计表㈣名称数量名称数量CPU插槽(socket7)l9引脚元件12PCI总线扩展槽36引脚元件3通内存条插槽(SIMM)4塑封三极(SC．EZl084CT)2孔内存条插槽(DIMM)l发光二极管5插扩展插槽(ISA)4二极管lO装硬盘接口插槽(IDE)2电容器25兀通软驱接口插槽(FDC)l4引脚电容器1件孔并行接口插槽(LPT)l元件(C47U12)l插串行接口插槽(COM)2合计89装电源接口插槽1兀键盘接口插槽1南北桥芯片组2表件电池接口插槽1其它芯片5面各种跳线插槽20引脚贴片元件3贴按键开关接口插槽128引脚贴片元件l装BIOS接口插槽132引脚贴片元件l715八总线接收发器48引脚微型贴片元件34件四2输入正或门l两引脚微型贴片元件231六反相器l合计2771．3废弃电路板的回收现状对结构复杂、元件繁多的电路板的回收处理，一直是业界关注的焦点，目前，印刷线路板的处理方法主要有热解法和机械物理法，化学法和超临界流体等回收方法由于二次污染严重或产业化较困难还处在进一步研究完善当中。下面将重点介绍热解法和机械物理法。1．3．1热解法热解法先将废弃电路板通过脱焊处理，把线路板上的元器件拆除，然后将电路板基板粉碎至一定尺寸送入热解反应器中热解。加热到一定温度后，环氧树脂等聚合物材料在充满惰性气体的反应器中发生热分解反应，生成相对分子质量较低的物质。反应器出来的热解油气经过冷凝，得到不凝性气体和液态热解油。作为固相残渣留在反应器中的金属和玻璃纤维等成分基本不发生性质变化，采用简单的物理方法即可分离回收。热解是一个复杂的过程，受到了传热、5传质与化学反应的共同影响。在这一过程当中