回收廢棄印刷電路板焊錫的新技術

周益輝，丘克強

(中南大學 化學化工學院，湖南 長沙，410083)

隨著經濟和電子信息產業的迅速發展，電子電器產品更新換代日益加劇，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保意義和經濟效益。目前，廢棄電路板資源再生技術有火法[4-6]、濕法[7-12]、機械破碎法[13-18]和熱解法[19-22]等，但是，至今無論何種技術流程，均未能解決好焊錫的回收問題：有些技術回收焊錫十分困難，回收率甚低；有些技術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中的難題之一。若不解決廢棄電路板中焊錫的回收問題，則不僅不能實現資源循環利用，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必須解決的技術問題。基于上述原因，本文作者對廢棄電路板中焊錫的高效回收進行研究。

1 實驗

1.1 實驗原料

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。本實驗所用廢棄印刷電路板有2種：一種為紙質強化酚醛樹脂電路板(商業上稱為FR-2)，這種電路板是單層結構，其中不含玻璃纖維；另一種為電腦等電子產品的印刷電路板，它通常由玻璃纖維強化環氧樹脂制成(FR-4)，這種電路板具有多層結構。

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

1.2 實驗設備

焊錫主要由錫和鉛組成。錫的熔點為232 ℃，鉛的熔點是327 ℃，合金的熔點一般比組成它的任何一種金屬的熔點低，標準焊錫的熔點為183 ℃。若溫度控制在焊錫熔點溫度，則廢棄電路板的其他物質基本不會發生變化，可利用離心的方法，將熔化的焊錫從基板脫除。為此，研制一種專門設備，采用柴油作為加熱介質將焊錫熔化，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鼓內。這樣，既簡單又高效地實現了廢棄電路板焊錫的清潔分離和回收。該裝置由電機、轉鼓、電爐等組成，如圖2所示。實驗所用的電機在工作時能顯示轉速；轉鼓用分離廢棄印刷電路板焊錫設計，在其底部和側面設計有均勻的濾孔；密封套和冷卻水套的設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

在本實驗中，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鼓中，然后，使轉鼓完全浸沒在油中，連接好裝置后，打開冷卻水。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轉鼓，使焊錫從轉鼓中迅速濾出，沉積在容器底部。待反應器冷卻后，取出廢棄印刷電路板基板、電子元件及焊錫。整個分離回收過程如圖3所示。

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

2 實驗結果與討論

2.1 轉速對廢棄電路板焊錫回收的影響

實驗溫度為240 ℃，旋轉時間為6 min，采用間歇式旋轉，即在規定的時間內均勻分6次旋轉。改變實驗轉速對廢棄電路板進行焊錫回收處理，實驗結果見表1。

當轉鼓旋轉時，轉鼓內廢棄電路板上處于熔融狀態的焊錫受到重力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。

當轉鼓旋轉時，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G為轉鼓的重力，ω為轉鼓的轉速，r為旋轉半徑，g為重力加速度，則所產生的離心力Fc可由下式確定[23]：

對于指定的裝置，G，g和r均為常數。由上式可見：離心力Fc與轉速ω的平方成正比，因此，轉速ω越大，離心力Fc就越大；當轉速為800 r/min時，焊錫分離差，但是，隨著轉速加快，焊錫分離效果增大；當轉速達到1 400 r/min時，廢棄電路板上的焊錫已完全脫除，所有焊點無焊錫殘留。

表1 不同轉速下廢棄電路板焊錫回收實驗結果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 溫度對廢棄電路板焊錫回收的影響

轉速恒定為1 400 r/min、旋轉時間為6 min，采用間歇式旋轉，即在規定的時間內均勻分6次旋轉，研究實驗溫度變化對廢棄電路板進行焊錫分離效果的影響，實驗結果見表2。

實驗溫度是焊錫回收的重要影響因素，它決定焊錫熔融的程度。實驗溫度越高，液態焊錫的黏度越小，從而流動性越好，越易從廢棄電路板中分離；因此，在保證廢棄電路板不發生裂解的條件下，實驗溫度應該盡可能高。在220 ℃和230 ℃時，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中，但是，230 ℃時比220 ℃時回收的效果好。在240 ℃和250 ℃時，廢棄電路板上的焊錫均可分離完全，焊點中無焊錫殘留，但是，當溫度為250 ℃時，廢棄電路板基板上有焦炭產生，表面電路板有機物質已發生裂解。因此，240 ℃應為焊錫分離的理想溫度。

2.3 旋轉時間對廢棄電路板焊錫回收的影響

在轉速恒定為1 400 r/min、實驗溫度為240 ℃的條件下，采用間歇式旋轉(在規定的時間內均勻分6次旋轉)，考查旋轉時間變化對廢棄電路板焊錫分離效果的影響，實驗結果見表3。

從表3可知：當旋轉時間在6 min以下時，廢棄電路板上焊錫未能回收完全，有焊錫殘留在焊孔中；時間越長，焊點脫落率越高；當旋轉時間在6 min以上時，廢棄電路板上的焊錫已回收完全，焊點中無焊錫殘留。由此說明：旋轉時間越長，對焊錫回收更有利。考慮到節能，本實驗中旋轉時間選擇6 min為宜。

表2 不同溫度下廢棄電路板焊錫回收實驗結果Table 2 Results of different temperatures for recycling solder from WPCBs

表3 旋轉時間不同時廢棄電路板焊錫回收實驗結果Table 3 Results of rotational time for recycling solder from WPCBs

表4 不同旋轉次數下廢棄電路板焊錫回收實驗結果Table 4 Results of number of rotational times for recycling solder from WPCBs

2.4 旋轉次數對廢棄電路板焊錫回收的影響

在轉速恒定為1 400 r/min、實驗溫度為240 ℃、旋轉時間為6 min的條件下，研究旋轉次數對廢棄電路板焊錫分離效果的影響，實驗結果見表 4。在總旋轉時間6 min內，分別均勻旋轉1次、2次、4次、6次。

從表4可見：隨著旋轉次數的增加，焊錫的分離效果增強；分6次旋轉時焊錫已能完全分離，并且分次旋轉的回收效果明顯好于一次性旋轉的回收效果。

2.5 離心分離焊錫前、后的照片對比

圖5所示為FR-4型廢棄印刷電路板在不同條件下進行焊錫回收實驗前、后的對比照片。從圖5可見：在焊錫回收效果較差的實驗中，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驗(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驗中，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)。部分實驗收集的焊錫如圖6所示。從圖6可見：回收的焊錫性質未發生變化，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，采用掃描電鏡對實驗后的基板殘留焊錫狀況進行分析。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。這證實在本實驗中焊錫已完全分離。

圖5 不同條件下FR-4型廢棄電路板焊錫回收實驗照片Fig.5 Photographs of examples of separating solder from FR-4 type of WPCBs under different experimental conditions

圖6 本實驗收集的部分焊錫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Fig.7 SEM photographs of two types of WPCBs base plates after solder separation

3 結論

(1) 離心分離廢棄電路板焊錫的影響因素有轉速、溫度、旋轉時間、旋轉次數。其中，最主要的影響因素為實驗溫度和轉速。

(2) 當油溫為240 ℃、轉速為1 400 r/min時，在6 min內均勻旋轉轉鼓6次，廢棄印刷電路板焊錫即可實現分離回收。

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