废旧手机电路板破碎产物的理化性质研究

熊兴旺，苏厚德，倪吉旭

（1.江西省科学技术信息研究所，江西南昌 330000；2.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，甘肃兰州 730050；3.上海蓝滨石化设备有限责任公司，上海 201518）

0 引言

随着信息科技的迅速发展，电子产品的更新换代速度持续加快，由此产生了大量的电子废弃物。手机是人们日常生活中必备的电子产品，手机的大量消费和快速淘汰对废旧手机的管理提出了艰巨的挑战。手机电路板是手机的核心部件，因此，对废旧手机电路板进行回收处理显得尤为重要，同时也是科技发展的必然趋势。废旧手机电路板中富含较多有价值且可回收利用的金属，如铜、金、银等，但同时也含有重金属（铅、镉、锡、汞等）、塑料、阻燃剂等有毒物质，如果不作绿色无公害处置，只采用传统的填埋和焚化方式，不但会造成资源的浪费，而且会严重危害土壤、水源、动植物等，最终扩撒危害人类健康。因此废旧手机电路板的无害化和资源化处置，已成为全世界共同研究的重要课题。

废旧手机电路板一般是层层压制而成，逐层剥离回收难度较大，目前主要的回收过程是首先将废旧手机电路板充分破碎，然后筛分成不同粒径的电路板颗粒，分析不同粒径的表面形貌，选择金属颗粒和非金属颗粒充分暴露粒级，再利用物理、化学、生物和火法等再利用技术分离回收。因此，实现有效的回收利用，首先需要分析手机电路板的结构，然后进一步对废旧手机电路板破碎产物进行理化检测，认识其组成物质的性质和特点，为绿色高效回收提供理论基础。

1 实验材料和方法

1.1 材料

拆卸废旧手机电路板表面的电子元器件，电子元器件由相关部门回收利用，用水将拆除掉电子元器件的电路板表面污垢清洗干净后烘干，干燥后将电路板拆卸成10×10 mm 的小块。

1.2 实验程序

首先随机挑选电路板小块，分析其断面结构，使用密封式化验制样粉碎机将50 g 电路板小块粉碎成电路板粉末，破碎时间约120 s，称取100 g 破碎后的电路板粉末添加到8411 型电动振筛机振筛50 min，将电路板粉末筛分成不同粒级，分析不同粒级粉末的表面形貌，发现小于0.3 mm 的各粒级中金属部分和非金属部分解离较充分，因此选取-0.3 mm 粒级的破碎产物进行理化检测。

1.3 实验检测

理化检测对象为-0.3 mm 粒级的废旧手机电路板破碎产物，首先用X 射线衍射（XRD）和X 射线荧光光谱（XRF）对金属富集体进行相分析和元素分析；然后用扫描电子显微镜和能谱仪（SEM）分析手机电路板破碎产物表面形貌；最后对手机电路板破碎产物进行介质为水和介质为乙醇的视频接触角测试。

2 实验结果分析

2.1 结构分析

废旧手机电路板主要由铜箔、玻璃纤维、粘结树脂等材料复合压制而成，除了含量较高的金属铜外，还含有其他微量有价金属如锡、银、金等。为了高效回收金属和非金属，需要对电路板结构组成进行分析。

电路板表层主要是导电性较强的铜箔，中间层主要是玻璃纤维，并且由横向纤维和纵向纤维交织排布，每层玻璃纤维之间用固化树脂粘结（图1）。交织排布的多层玻璃纤维为电路板提供了足够的强度和稳定性。铜箔层与玻璃纤维层之间也用固化树脂粘结，含有某些贵金属的电子元件通过焊料焊接在铜箔上，为了增强焊接强度和提高电路板导电性，还会在焊料上电镀一层贵金属。

图1 废旧手机电路板断面结构

在废旧手机电路板的破碎过程中，以嵌入、包裹、缠绕等方式结合的结构比较容易解离，如线圈、插槽等；以黏合、喷涂、焊接等方式结合的结构则相对比较难解离，如铜箔表面的焊料以及基板中的玻璃纤维、树脂和铜箔等；以填充、合金化、电镀等方式结合的结构则不能通过物理破碎的方式直接解离，如焊料中的铅和锡、铜箔表面的金属镀层等。也就是说，组成电路板结构的各种物质除了以单体连接形式存在之外，还可能会以合金化、电镀、化合物等形式存在，不同的存在形式会从根本上影响回收利用的工艺和效果。

2.2 物相分析

采用X 射线衍射（XRD）对废旧手机电路板破碎产物进行物相分析，结果表明样品中的物质以金属铜为主并且铜以单质的形式存在，还存在氧化硅是构成玻璃纤维的主要成分（图2）。而样品中结晶度差的相很难分析，因此用X 射线荧光光谱（XRF）分析样品元素。

图2 手机电路板破碎产物物相分析

2.3 元素分析

废旧手机电路板的铜箔、玻璃纤维、树脂粘结剂等包含的元素种类较多，并且不同元素的存在形式不同，因此分析其所含元素和存在形式对高效回收电路板具有重要意义。用X 射线荧光光谱仪分析废旧手机电路板破碎产物的元素组成，结果如图3所示。可以看出，废旧手机电路板中主要含有Cu、Si、Br、Ca、Sn、Al、Zn 等元素，另外还含有微量的Ba、Ni、Mg、Pb、Ti、Sb、Mn、Cl、Na 等元素。含量较高的元素是Cu、Si、Ca、Br 和Al，含量分别达到28.62%、26.81%、14.78%、11.05%和8.62%，高于各元素在自然界原矿石中的品位。

图3 手机电路板破碎产物元素组成

Cu 是废弃手机电路板中含量最高的金属元素，也是电路板回收再利用的主要目标物质，主要来源于手机电路板的铜箔层中，以单质形式存在为主。Si、Ca、Al 和Mg 是构成电路板中玻璃纤维的主要元素，主要以氧化物的形式存在。电路板破碎后玻璃纤维颗粒表面会残留大量的粘结树脂，但仍具有较高的强度和稳定性，可以作为填料添加到塑料中，提高塑料的各项力学性能。Br 元素主要来源于粘结树脂，电路板破碎后粘结树脂会残留在玻璃纤维颗粒和铜颗粒的表面，粘结树脂的分布在一定程度上也代表了Br 元素在破碎产物中分布。Sn 和Pb 元素的含量为4.21%、2.35%，主要来源于废旧手机电路板上的焊料，焊料和铜箔表面会电镀一层贵金属以提高强度和导电性，这些压层、焊接、电镀材料破碎后不可能完全解离，金属元素除以单质形式存在以外，大部分以化合物形式存在。Ni、Ti、Mn 等元素可能是作为合金的添加元素或者破碎时来自外界的污染。

2.4 表面形貌和元素分布

手机电路板玻璃纤维层和铜箔层粘合过程中会使用有机粘结剂，当废旧手机电路板破碎后，金属和非金属不会完全分离。为分析其金属和非金属的分布情况，使用扫描电子显微镜（SEM）对电路板破碎产物进行微观结构分析，SEM 分析结果表明，电路板破碎产物中颗粒形状不规则，表面形貌粗糙，但大部分金属颗粒和非金属颗粒区分较为明显，如图4 所示，黑色部分主要是铜及其他金属，白色部分主要是玻璃纤维等物质，而金属颗粒主要以铜金属为主，非金属颗粒主要以玻璃纤维和粘结树脂为主。从元素分布情况可以看出，电路板破碎后，粘结树脂会粘连少量玻璃纤维残留在铜颗粒表面，因此，废旧手机电路板破碎产物中，完全分离的金属和非金属颗粒可以使用物理法将其回收再利用，但少部分金属和非金属没有完全分离的电路板颗粒使用物理法回收难度较大。

图4 手机电路板破碎产物表面形貌及元素分布

2.5 表面润湿性分析

分选回收废旧手机电路板需要在液体介质中进行，目前容易获取且安全可靠的液体介质主要是去离子水和无水乙醇，因此对破碎产物进行介质分别为去离子水和无水乙醇的视频接触角测试，测试结果：破碎产物与去离子水的接触角基本稳定在129°，破碎产物具有疏水性，在去离子水介质中进行分选时，电路板破碎产物润湿性较差，往往会团聚在一起，分选效果较差；破碎产物与无水乙醇的接触角为0°，在无水乙醇介质中完全润湿，具有较好的分散性。

3 结论

废旧手机电路板破碎产物分析结果表明，电路板为层状结构，破碎后铜元素含量最高，为28.62%，主要以单质存在；其次为硅、钙和铝元素，含量分别为26.81%、14.78%和8.62%，主要存在于玻璃纤维。铜颗粒形状不规则且表面粗糙，部分固化后的粘结树脂残留在铜颗粒表面，破碎产物与去离子水不润湿，与无水乙醇完全润湿。废旧手机电路板的结构复杂性和材料多样性给其回收再利用造成了极大的困难，虽然目前金属和非金属材料的再利用技术取得了很大进展，但未来还需要进一步深入研究材料的理化特性，为开发更加高效的再利用技术和推进再利用技术的产业应用奠定基础。