廢棄印刷電路板焊錫離心分離過程的試驗研究

周先桃,王瑞雄,繆曉芳,王武生

廢棄印刷電路板焊錫離心分離過程的試驗研究

周先桃,王瑞雄,繆曉芳,王武生

(華東理工大學(xué)化工機械研究所，上海 200237)

電子廢棄物的快速增加，已帶來了巨大的環(huán)境問題。廢棄印刷電路板作為電子廢棄物的核心組件，是電子廢棄物中最難處理的部分。提出了一種廢棄印刷電路板焊錫的熱熔離心分離回收方法及其裝置。從理論上分析了印刷電路板離心分離過程中焊點脫焊不完全的問題，提出了臨界分離半徑的概念，并通過試驗研究了旋轉(zhuǎn)時間、加熱溫度和轉(zhuǎn)速對臨界分離半徑的影響。試驗結(jié)果表明：旋轉(zhuǎn)時間超過60 s后，臨界分離半徑的大小與旋轉(zhuǎn)時間無關(guān)；加熱溫度或者轉(zhuǎn)速的增加都會導(dǎo)致臨界分離半徑的減小。最后擬合得出了不同操作條件下印刷電路板焊錫脫離的臨界分離半徑，解決了印刷電路板離心分離過程中焊點脫焊不完全的問題，對新工藝裝備的推廣應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

廢棄印刷電路板；拆卸；焊錫；離心分離；臨界分離半徑

當(dāng)今，電子廢棄物的快速增加，已帶來了巨大的環(huán)境問題。廢棄印刷電路板作為電子廢棄物的核心組件，雖然只占電子廢棄物總重量的3%[1]，卻是電子廢棄物中最難處理的一部分。因為印刷電路板具有非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)且含有多種有毒物質(zhì)，同時印刷電路板中也含有30%左右的金屬元素[2]，具有極高的回收利用價值。目前對廢棄印刷電路板的處理方法主要有火法冶金[3]、濕發(fā)冶金[4]、微生物冶金[5]和機械物理法[6-7]。

印刷電路板資源化過程中，無論采用何種方法處理，都需要先拆卸電路板上的電子元器件[8]。這是因為：第一，易于將電子元器件中的有毒有害元器件、貴重元器件單獨處理；第二，拆卸后的印刷電路板基板可以較易實現(xiàn)銅和非金屬材料的回收；第三，拆卸過程中可以對印刷電路板上的焊錫進行回收，回收到的焊錫不僅可以再次使用，而且可以降低其他金屬回收的難度。所以，研究廢棄印刷電路板上元器件的拆卸與焊錫的回收具有較高的環(huán)保意義和經(jīng)濟效益。

目前，對廢棄印刷電路板拆卸的研究主要集中在元器件的拆卸上[9-10]，只有少量的文獻對印刷電路板拆卸過程中焊錫的回收進行研究。如周益輝等[11]，Zhu等[12]采用離心力分離印刷電路板上的焊錫，但是他們只是從操作參數(shù)的變化上研究焊點的脫焊率，不能保證任何位置的焊點都脫焊。為了解決印刷電路板離心分離過程中焊點脫焊不完全的問題，本文對印刷電路板焊錫離心分離過程進行了理論分析，提出了臨界分離半徑的概念，并通過試驗研究了臨界分離半徑與操作參數(shù)之間的關(guān)系，建立相應(yīng)的經(jīng)驗公式，最后提出解決焊點脫焊不完全的方法。

1 印刷電路板離心拆分的理論分析

本文在研究焊錫脫離印刷電路板過程中，將電路板豎直固定于轉(zhuǎn)鼓的一個回轉(zhuǎn)平面內(nèi)，焊錫在離心力的作用下脫離電路板，并在受力分析過程中，忽略焊錫從電路板上脫離過程中引腳對焊錫的繞流阻力。焊點的具體受力見圖1。

圖1 焊點的受力示意圖Fig.1 Force of the solder joint圖中：Fc為離心力(N);Fs1和Fs2為表面張力(N);Ft為剪切力(N);α和β為焊錫與表面的接觸角(°)。

為了使焊錫從印刷電路板上脫離，必須使x軸方向的合力沿著x軸的正方向，即得到如下關(guān)系式：

Fc+Fs1·sinα≥Fs2·sinβ+Ft

(1)

將上述各物理量代入公式(1)，可以得出r應(yīng)滿足的關(guān)系式為

(2)

由此可見，r存在最小值，且r的最小值計算公式為

(3)

因此，焊錫脫離印刷電路板基板存在著最小的分離半徑r1，只有r>r1，才可以使焊錫脫離印刷電路板基板。取所有r1中的最大值R1，當(dāng)r>R1時，所有焊點脫焊，即將R1定義為臨界分離半徑。此外，由式(3)可知，r1的大小與外界的操作條件有關(guān)，所以臨界分離半徑R1也受到了外界的操作條件的影響。本文通過試驗的方法研究了時間、溫度和轉(zhuǎn)速對臨界分離半徑的影響。

2 印刷電路板離心拆分特性的試驗研究

2.1 試驗材料

印刷電路板是由電路板基板和電子元器件組成的。本次試驗中所用的印刷電路板全部從電視機上拆卸而來，這種電路板上的電子元器件主要是插裝元器件。圖2為本次試驗中所用電路板的結(jié)構(gòu)示意圖。為了減小試驗誤差，試驗中所用電路板型號相同。

圖2 印刷電路板的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of the printed circuit boards

2.2 試驗裝置和試驗過程

印刷電路板上使用的焊錫采用的是錫和鉛的合金，最常用的焊錫中錫和鉛的質(zhì)量比為63∶37，熔點是183.15℃，可以通過加熱使焊錫融化，并采用固液分離的方法使焊錫與電路板和元器件分離。本文提出一種新型廢舊電路板拆分設(shè)備，首次采用氯化鈣溶液作為加熱介質(zhì)，通過提高設(shè)備內(nèi)操作壓力來使溶液的沸點升高。這是由于在同等壓力下，電解質(zhì)溶液的沸點高于純?nèi)軇┑姆悬c，因此采用氯化鈣溶液作為加熱介質(zhì)，從而能夠在較低的壓力下使溶液的沸點超過183.15℃，且相比于純水，有效地降低了操作壓力。此外，將氯化鈣溶液作為加熱液，不僅具有加熱效率高、加熱均勻、價格便宜、加熱過程不產(chǎn)生有毒有害氣體等優(yōu)點，而且具有加熱液殘留小、清洗方便、清洗液可再次作為加熱液繼續(xù)使用等優(yōu)點，克服了采用柴油[13]、二甲基硅油[14]等有機溶劑面臨的殘留液清洗的問題。圖3為試驗所用的焊錫離心分離裝置。

圖3 試驗裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of experimental apparatus1.安全閥；2.橢圓形封頭；3.法蘭；4.保溫層；5.氯化鈣溶液；6.電路板；7.加熱管；8.溫度控制系統(tǒng)；9.變頻器；10.電機；11.排水閥；12.橢圓形封頭；13.支撐與密封系統(tǒng)；14.夾持機構(gòu)；15.多孔轉(zhuǎn)鼓；16.自動排氣閥；17.壓力表

在本試驗中，將電路板豎直固定在轉(zhuǎn)鼓的一個回轉(zhuǎn)平面上，并使電路板完全浸沒于氯化鈣溶液中，通過加熱管加熱使液體的溫度升高，達(dá)到指定溫度后，焊錫融化，開動電機，帶動轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動，在離心力的作用下焊錫脫離電路板表面，通過轉(zhuǎn)鼓上的小孔，進入下封頭中。試驗完成后，通過閥門排出溶液和焊錫，電路板基板和元器件從轉(zhuǎn)鼓中取出,整個工藝過程沒有二次污染物的排放，從而能夠?qū)崿F(xiàn)電路板上焊錫的高效與清潔回收。

2.3 試驗結(jié)果與分析

2.3.1 旋轉(zhuǎn)時間對臨界分離半徑的影響

印刷電路板上的焊錫在離心力作用下脫離電路板，脫離過程需要一定的時間。在焊錫未完全脫離電路板時，測量臨界分離半徑?jīng)]有意義，所以需要通過試驗的方法來確定焊錫脫離電路板所需要的時間。本試驗在溫度為200℃、轉(zhuǎn)速為700 r/min的條件下，通過研究不同旋轉(zhuǎn)時間下焊點脫焊率的變化情況，來確定焊錫脫離電路板過程所需要的時間。

焊點脫焊率η定義為

(4)

式中:n′為脫焊焊點數(shù)(個);N為電路板上的焊點總數(shù)(個)。

圖4 旋轉(zhuǎn)時間對焊點脫焊率的影響Fig.4 Influence of rotation time on the separation efficiency of the solder joint

圖4為試驗在不同旋轉(zhuǎn)時間下焊點脫焊率的變化情況。由圖4見，旋轉(zhuǎn)時間在60s內(nèi)，焊點的脫焊率隨時間的增加而增加，且上升值變化越來越緩慢；當(dāng)旋轉(zhuǎn)時間超過60s以后，焊點的脫焊率不隨時間發(fā)生變化，且脫焊率為30.1%。根據(jù)前面的理論分析結(jié)果可知，焊錫是否脫離電路板和焊點的位置有關(guān)，只有超過該條件下的最小分離半徑，焊錫才會脫離電路板。由于試驗中電路板是豎直固定在轉(zhuǎn)鼓的一個回轉(zhuǎn)平面上，所以總是存在一個區(qū)域，使焊錫位于最小分離半徑內(nèi)，因此脫焊率只有30.1%；旋轉(zhuǎn)時間超過60 s后，增加旋轉(zhuǎn)時間不會使新的焊點脫焊，由此可知焊錫脫離電路板的過程需要的時間為60 s。所以，測量臨界分離半徑試驗中，將旋轉(zhuǎn)時間設(shè)置為60 s，從而保證了臨界分離半徑的大小與旋轉(zhuǎn)時間無關(guān)。

2.3.2 加熱溫度和轉(zhuǎn)速對臨界分離半徑的影響

為了研究加熱溫度和轉(zhuǎn)速變化時臨界分離半徑的變化規(guī)律，本次試驗采用均勻試驗的方法進行研究，均勻試驗可以有效地減少試驗次數(shù)，同時試驗點在試驗范圍內(nèi)是均勻分散的，具有很好的代表性。

在本次試驗中，有兩個因素即加熱溫度和轉(zhuǎn)速，每個因素有5個水平，采用U5(53)設(shè)計試驗。但為了避免因試驗次數(shù)太少而導(dǎo)致的試驗誤差,將試驗次數(shù)增加一倍，設(shè)計了10次試驗，具體的試驗參數(shù)見表1。

表1 試驗參數(shù)

注：由于試驗結(jié)果中臨界分離半徑的數(shù)值較小，所以采用mm為單位。

將表1中的數(shù)據(jù)利用非線性擬合的方法進行擬合，可得到如圖5所示加熱溫度、轉(zhuǎn)速與臨界分離半徑的擬合曲面，該擬合曲面反映了加熱溫度、轉(zhuǎn)速與臨界分離半徑之間的關(guān)系。擬合曲面的相關(guān)系數(shù)為0.992 8，這表明擬合的效果良好，對試驗結(jié)果有較好的預(yù)測性。此時，擬合曲面的方程為

圖5 加熱溫度、轉(zhuǎn)速與臨界半徑的擬合曲面Fig.5 Fitting surface of the heating temperature,rotation speed and critical radius

r0=470.4-1.625t-0.273 5n+0.004 5t2+0.000 195n2-0.001tn

(5)

式中：r0為臨界分離半徑(mm);t為加熱溫度(℃);n為轉(zhuǎn)速(r/min)。

由圖5可見，加熱溫度和轉(zhuǎn)速對臨界分離半徑都有顯著的影響。臨界分離半徑隨著加熱溫度的升高而減小，這是由于液態(tài)焊錫的表面張力系數(shù)隨著溫度的升高而減小，導(dǎo)致焊錫所受到的表面張力在減??；同時焊錫的粘度系數(shù)也減小，焊錫的流動性增加，所受到的剪切力減小，故臨界半徑減小。臨界分離半徑也會隨著轉(zhuǎn)速的升高而減小，這是由于轉(zhuǎn)速升高相同位置所受到的離心力變大，雖然焊錫所受到的剪切力和引腳的繞流阻力會變大，但是離心力增加的幅度更大，從而使臨界分離半徑減小。由此可知加熱溫度和轉(zhuǎn)速是相輔相成的，為了達(dá)到相同的臨界分離半徑，在加熱溫度較低的情況下，可以提高轉(zhuǎn)速，而在轉(zhuǎn)速較低的情況下，提高加熱溫度也可以達(dá)到相同的目的。擬合曲面的適用條件為：200℃≤t≤240℃，700 r/min≤n≤1 100 r/min。

3 驗證試驗

3.1 臨界分離半徑試驗驗證

為了驗證模型是否具有延伸性，取加熱溫度t為200℃、轉(zhuǎn)速n為1 200 r/min，代入擬合方程式(5)中，可以得到臨界分離半徑r0=38 mm。做臨界分離半徑驗證試驗，其試驗結(jié)果見圖6。

圖6 臨界分離半徑驗證試驗后的印刷電路板Fig.6 Printed circuit board after the verification experiment of the critical separation radius

3.2 印刷電路板拆分效果試驗驗證

為了驗證試驗裝置的分離效果，取加熱溫度t為205℃、轉(zhuǎn)速n為750 r/min，代入擬合方程式(5)中，可以得到臨界分離半徑r0=77.2 mm。取一塊印刷電路板，將印刷電路板放置于距離中心軸78 mm的區(qū)域固定，進行印刷電路板離心拆分試驗，其試驗結(jié)果見圖7和圖8。

圖7 拆分效果驗證試驗后的印刷電路板Fig.7 Printed circuit board after the verification experiment of the separation performance

圖8 試驗過程中拆卸下來的電子元器件Fig.8 Electronic compounds dismantled from the PCBs

由圖7可見，試驗后印刷電路板上全部焊點脫焊，說明電路板的脫焊效果良好。由于沒有焊錫與元器件引腳之間的連接，引腳未彎曲元器件直接從電路板上脫落，引腳彎曲的元器件只需經(jīng)過簡單的拆卸就可以從電路板上脫落。因此，在實際生產(chǎn)中，只要將印刷電路板置于臨界分離半徑之外，就可使電路板上全部焊點脫焊，進而可以拆卸全部元器件。而周益輝等[11]只是從操作參數(shù)的變化來統(tǒng)計焊點的脫焊率，沒有說明其離心分離過程的本質(zhì)。因為只要焊點位于旋轉(zhuǎn)中心，無論旋轉(zhuǎn)速度有多大，焊錫及元器件都不能脫離電路板基板。可見，臨界分離半徑的提出使焊點的脫焊率可以保持在100%，這為廢棄印刷電路板拆卸離心分離過程研究提供了理論依據(jù)。由此可知，在實際生產(chǎn)中，可以通過中心占位的方式設(shè)計環(huán)型轉(zhuǎn)鼓，使印刷電路板位于該操作條件下的臨界分離半徑之外，從而實現(xiàn)印刷電路板上焊點的全部脫焊和元器件的全部拆卸。

4 結(jié) 論

(1) 提出的印刷電路板拆分裝置能夠有效地分離回收電路板上焊錫，且采用氯化鈣溶液作為加熱介質(zhì)具有加熱效率高、加熱液殘留小、易于清洗、無二次污染等優(yōu)點。

(2) 通過理論推導(dǎo)得出印刷電路板焊錫離心過程中必然存在一個臨界分離半徑，只有焊點位置與旋轉(zhuǎn)中心的距離超過臨界分離半徑，才可以使焊錫脫離電路板基板。

(3) 通過印刷電路板離心拆分特性試驗研究表明：將旋轉(zhuǎn)時間設(shè)置為60 s，能夠保證臨界分離半徑的時間無關(guān)性；加熱溫度和轉(zhuǎn)速的增加都會導(dǎo)致臨界分離半徑的減小，且臨界分離半徑與加熱溫度和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系式為r0=470.4-1.625t-0.273 5n+0.004 5t2+0.000 195n2-0.001tn。

(4) 通過擬合模型，可以得到不同操作條件下的臨界分離半徑，在實際操作中可以通過設(shè)置環(huán)形轉(zhuǎn)鼓的方式，將印刷電路板放置于臨界分離半徑之外，從而可以實現(xiàn)焊點的全部脫焊和元器件的全部拆卸，為印刷電路板熱熔離心分離過程提供理論指導(dǎo)和試驗基礎(chǔ)。

[1] Basdere B,Seliger G,Disassembly factories for electrical and electronic products to recover resources in product and material cycles[J].EnvironmentalScienceandTechnology,2003，37(23):5354-5362.

[2] Szalatkiewicz J.Metals content in printed circuit board waste[J].PolishJournalofEnvironmentalStudies,2014,23(6):2365-2369.

[3] Bemardes A,Bohlinger I,Milbrandt H,et al.Reclamation of scrap printed circuit boards[J].Galvanotechnik,1996,87(8):2696-2704．

[4] Zhang Y，Liu S，Xie H，et al.Current status on leaching precious metals from waste printed circuit boards[J].ProcediaEnvironmentalSciences,2012,16:560-568.

[5] Zhu N W,Xiang Y,Zhang T,et al.Bioleaching of metal concentrates of waste printed circuit boards by mixed culture of acidophilic bacteria[J].JournalofHazardousMaterials,2011，192(2):614-619.

[6] 楊繼平，潘曉勇，向東等.廢舊電路板物理拆解方法及其試驗驗證[J].機械工程學(xué)報，2010(23)：192-198.

[7] Li J,Xu Z M,Zhou Y H.Application of corona discharge and electrostatic force to separate metals and nonmetals from crushed particles of waste printed circuit boards[J].JournalofElectrostatics,2007,65(4):233-236.

[8] Kopacek P,Kopacek B.Intelligent,flexible disassembly[J].TheInternationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology,2006,30(5/6):554-560.

[9] Chen M J,Wang J B,Chen H Y,et al.Electronic waste disassembly with industrial waste heat[J].EnvironmentalScience&Technology,2013,47(21):12409-12416

[10]Xiang D,Pang Z F,Long D F,et al.The disassembly process and apparatus of waste printed circuit board assembly for reusing the components[J].AppliedMechanicsandMaterials,2013(457/458):474-485.

[11]周益輝，丘克強.回收廢棄印刷電路板焊錫的新技術(shù)[J],中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)[J],2011(7):1883-1889.

[12]Zhu P,Chen Y,Wang L Y,et al.A new technology for recycling solder from waste printed circuit boards using ionic liquid[J].WasteManagementandResearch,2012,30(11):1222-1226.

[13]Zhou Y H，Qiu K Q．A new technology for recycling materials from waste printed circuit boards[J]．JournalofHazardousMaterials，2010，175(1/2/3)：823-828．

[14]Huang H H,Pan J Q,Liu Z F,et al.Study on disassembling approaches of electronic components mounted on PCBs[C]//AdvancesinLifeCycleEngineeringforSustainableManufacturingBusinesses-Proceedingsofthe14thCIRPConferenceonLifeCycleEngineering.London:Springer-Verlag,2007:263-266.

Experimental Study on the Centrifugal Separation Process of the Solder on the Waste Printed Circuit Boards

ZHOU Xiantao,WANG Ruixiong，MIAO Xiaofang，WANG Wusheng

(InstituteofChemicalMachinery,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China)

The rapid increasing of electronic waste sites has brought big environmental problems.As the core component of the electronic waste,the printed circuit boards(PCBs) are the most difficult part to deal with.This paper proposes a new technology and device to separate and recycle the solder from the waste PCBs.The paper theoretically analyzes the problem that the solder cannot be separated completely from the PCBs during the centrifugal separation process,puts forward the concept of the critical separation radius,and studies the influence of the rotation time,heating temperature and rotational speed on the critical separation radius through experiments.The results show that the size of the critical separation radius is irrelevant to the rotation time when the rotation time exceeds 60 seconds, and the size of the critical separation radius decreases with the increasing of the temperature or the rotational speed.In the end,the critical separation radius of the PCBs under different operating conditions is fitted.The paper proposes the method which can solve the problem that the solder cannot be separated completely from the PCBs during the centrifugal separation process,which has guidance significance to the application of new technology and equipment.

waste printed circuit board;dismantle;solder;centrifugal separation;critical separation radius

1671-1556(2016)02-0033-06

2015-07-23

2015-12-15

周先桃(1967—)，男，博士，副教授，主要從事電子廢棄物的資源化研究。E-mail:robert_zhou@ecust.edu.cn

X76

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2016.02.007