废印刷电路板非金属粉填充聚丙烯的实验

　第25卷第9期　2009年9月

高分子材料科学与工程

POL YM ER MA TERIAL S SCIENCE AND EN GIN EERIN G

Vol. 25,No. 9Sept. 2009

废印刷电路板非金属粉填充聚丙烯的实验

郑艳红1, 沈志刚1, 蔡楚江1, 麻树林1, 邢玉山1, 张　越2, 吴　晓2

(1. 北京航空航天大学, 北京市粉体技术研究开发重点实验室, 北京100191;

2. 苏州金通电子废弃物再生利用有限公司, 江苏常熟215500)

摘要:采用熔融共混方法制备了废印刷电路板非金属粉/聚丙烯复合材料, 并通过非金属粉润湿性能和缺口冲击断面形貌观察, 分析研究了非金属粉添加对聚丙烯复合材料力学性能的影响。结果表明, 非金属粉可以同时改善非金属粉/聚丙烯复合材料的拉伸、弯曲、低温冲击性能, 但室温冲击性能降低; 其中拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、、低温冲击强度最大增幅分别为16. 3%、41. 5%、63. 5%、100%、45. 7%; 。关键词:废印刷电路板; 非金属粉; 填料; 复合材料; 力学性能

中图分类号:TQ325. 1+4　　　文献标识码:A2203

　　印刷电路板(但是, , 也产生, PCB , 这给环境带来了巨大的压力, 已成为困扰世界各国的新课题[1～9]。

废PCB 的物理回收处理方法是目前被广泛采用的环保方法, 回收得到的金属材料再利用技术已经很成熟[5～9]。但在回收金属材料的同时, 还会产生大量的非金属材料, 常常作为垃圾丢弃、焚烧或填埋。这不仅会导致资源的浪费, 而且还会对环境造成有害影响。因此, 废PCB 非金属材料的资源化再利用, 已经变得非常迫切!

本文主要将废PCB 物理回收处理分选出来的非金属粉作为填料填充到聚丙烯(PP ) 中, 制备出性能较好的非金属粉/PP 复合材料。这不仅能缓解焚烧、填埋带来的环境压力, 而且还能使非金属粉废弃物得到利用。1　实验部分1. 1　原料

PP 基体:选用北京燕山石化股份有限公司提供的PP (牌号S1003) 粉料; 废PCB 非金属粉:实验室自制,

mesh 、150mesh 的一系列振动筛进行分选, 本实验选

用分选出的80mesh ～150mesh (中粉,medium ) 和150mesh (细粉,fine ) 非金属粉; 表面改性处理剂:选用南京曙光化工集团有限公司提供的硅烷偶联剂KH 2550(γ2氨丙基三乙氧基硅烷) ; 溶剂:无水乙醇, 北京化学试剂厂生产。

1. 2　非金属粉/PP 复合材料制备工艺流程

首先将经振动筛分选出的废PCB 非金属中粉和细粉在80℃～100℃用高速混合机(SHR 25A , 张家港强大塑料机械有限公司) 对其进行表面改性处理, 改性剂为硅烷KH 2550, 溶剂为酒精, 质量分数为20%, 用量为1%; 然后将非金属粉与PP 粉料分别用电热鼓风干燥箱(10123A , 杭州蓝天仪器有限公司) 在80℃烘干2h , 烘干后的非金属粉和PP 粉料在室温下用高速混合机混合3min ～5min ; 混合后在双螺杆挤出机(TE 235型, 南京科倍隆科亚机械有限公司) 中挤出成丝状; 丝状物被切碎成颗粒状; 经干燥后在注射机(C J 108M3V , 震德塑料机械厂有限公司) 上注射成型。1. 3　性能测试及表征

1. 3. 1　力学性能测试:采用万能电子拉力实验机(DXLL 210000, 上海化工装备有限公司化工机械四厂)

) 测试复合材料的拉伸强度、在室温(23℃拉伸模量

(G B/T 1040-92) 和弯曲强度、弯曲模量(G B/T 9341

首先利用废PCB 粉碎分离回收设备分离出废PCB 中

的非金属粉, 然后将分离出的非金属粉经25mesh 、80

收稿日期:2008208203

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50774003) , 中国博士后科学基金([1**********]) , 北京市教育委员会共建项目建设计划资助项目,

苏州市科技发展计划(科技招标) 项目(ZG0806)

通讯联系人:沈志刚, 主要从事颗粒制备和固体废弃物的无害化处理与资源再利用研究, 　E 2mail :shenzh g @buaa.edu. cn

　第9期郑艳红等:废印刷电路板非金属粉填充聚丙烯的实验155

-2000) ; 采用塑料冲击试验机(X J 2300, 吴忠材料试验

) 和低温(-20℃) 测量复合材料机厂) 在室温(23℃到明显提高, 且弯曲性能提高幅度比拉伸性能更明显。

其中拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度和弯曲模量最大增幅分别为16. 3%、41. 5%、63. 5%和100%。颗粒大小与表面改性对非金属粉/PP 复合材料拉伸、弯曲性能的影响效果并不明显。

PP 是一种半结晶聚合物, 具有很多优异的性能, 但也有不足之处, 尤其是低温脆性, 这大大限制了PP 的应用。从Tab. 1中可以看出, 在常温下, 虽然非金属粉/PP 复合材料的冲击强度有所降低, 但在低温下, 冲击性能却得到了明显提高, 其最大增幅为45. 7%。废印刷电路板非金属粉的加入可以明显改善PP 的低温缺口冲击性能, 这对PP 材料来说, 有着重要的实际应用意义。

的缺口冲击强度(G B/T 1843-1996) 。1. 3. 2　接触角测定:采用接触角测定仪(J Y 282, 承德试验机有限责任公司) 测量非金属粉的接触角。1. 3. 3　SEM 观察:采用扫描电子显微镜(SEM ,L EO Co. Ltd. , G ermany , 型号1450) 观察复合材料缺口冲击断面形貌, 观察前需对样品进行喷碳处理。2　结果与讨论

2. 1　非金属粉/PP 复合材料的力学性能

Tab. 1为填充废印刷电路板非金属粉后,PP 复合

材料的力学性能数据。从Tab. 1中可以看出, 添加了非金属粉后的PP 复合材料拉伸性能和弯曲性能都得

T ab. 1　The mechanical properties Samples

() ) strength (MPa ) Flexural modulus (GPa ) ) Impact strength (kJ/m 2) , (23℃) Impact strength (kJ/m 2) , (-20℃

Pure PP 34. 0. 8235. 531. 642. 971. 05

38. 771. 1454. 503. 102. 041. 35

modified 39. 731. 1656. 083. 131. 981. 29

Medium/PP (20%) unmodified 37. 731. 1557. 073. 282. 161. 53

modified 38. 851. 1658. 083. 072. 101. 44

2. 2　废印刷电路板非金属粉的物理特性

废印刷电路板非金属粉主要是由环氧、酚醛等热

固性树脂和玻璃纤维增强材料组成。由于玻璃纤维和树脂的共同存在, 所以非金属粉的物质组成形式十分复杂。细粉主要是由树脂粉末和单根玻璃纤维组成, 而中粉是由树脂粉末、单根玻璃纤维以及树脂浸渍的玻璃纤维束组成。粉体表面的润湿性或疏水性的大小是其用作高聚物基复合材料填料的重要表面性质之一, 接触角大小可以较为准确地判断液体水对固体粉末的润湿性质[10]。因此本文选用压片法测量了非金属粉接触角大小来间接表征其与聚丙烯基体之间的润湿性质。测量结果表明, 未经过表面改性处理的非金属细粉和中粉的水接触角分别为85. 3°和87. 3°, 由此可见, 回收的废印刷电路板非金属粉是疏水性或亲油性的, 且聚丙烯基体材料是非极性(亲油性) 高聚物, 因此未经过表面改性的非金属粉在PP 基体中的润湿性和相容性都很好, 可以直接用作PP 基复合材料的增强增韧填料。非金属粉加入PP 基体后, 复合材料的强度和刚性同时得到了改善。产生这样结果的原因主要取决于非金属粉具有的优异性能。当非金属粉作为

填料加入到聚合物材料中时, 由于纤维强度高、模量大、延伸率低, 所以纤维首先承担外界载荷; 同时由于非金属粉和聚丙烯基体的润湿性和相容性好, 基体能将所受的载荷有效地向非金属粉传递, 从而延缓了基体材料的破坏。2. 3　复合材料缺口冲击断面形貌分析

Fig. 1、Fig. 2分别是纯PP 与非金属粉/PP 复合材料(细粉, 改性) 的常温、低温冲击断面SEM 照片。从Fig. 1可以看出, 在常温下, 纯PP 冲击断面是细小的裂纹, 断面粗糙, 纹路细小; 而添加了细粉以后, 复合材料冲击断面的裂纹的纹路变得粗大, 裂纹数量明显变少, 有大裂纹产生。这主要是因为玻璃纤维是脆性材料, 试样受冲击时会在颗粒附近产生应力集中等缺陷, 使得细粉/PP 复合材料的韧性降低。从Fig. 2可以看出, 在低温下, 纯PP 冲击断面是稍光滑的河川状的大裂纹, 属于直接脆性断裂; 而添加了细粉后, 复合材料冲击断面明显变得粗糙, 纹路变得细小, 有很多小细纹产生, 裂纹数量也明显变多, 且有明显的屈服现象, 这说明有大量微裂纹生成。而微裂纹的形成过程是消耗能量的过程, 大量微裂纹的形成将有利于能量

156高分子材料科学与工程2009年　

的吸收, 并能防止大裂纹的形成, 有利于复合材料低温冲击性能的改善。此外, 废印刷电路板非金属粉均匀分布于PP 基体中, 没有明显团聚现象发生, 颗粒与基体之间的界面相容性较好, 没有明显界面。

合材料的力学性能, 还可以达到减少环境污染, 实现资源再利用的目的。

参考文献:

[1]　BARBA 2GU TIERREZ Y , ADENSO 2DIAZ B , HOPP M. An

analysis of some environmental consequences of European electrical and electronic waste regulation [J ].Resource , Conservation and Recycling , 2008, 52(3) :4812495.

[2]　L EE J 2C , SON G H T , YOO J 2M. Present status of the recycling of

waste electrical and electronic equipment in K orea [J].Resources , Conservation and Recycling , 2007, 50(4) :3802397.

[3]　YUAN C Y , ZHAN G H C , MCKENNA G , et al . Experimental

studies on cryogenic recycling of printed circuit board [J ]Int. J. Advanced Manufacturing Technology , 2007, 34(728) :6572666. [4]　HALL W J , WILL IAMS P T. and recovery of materials

from scrap circuit boards []., Conservation and , , 513) []　CU I J FORSSBERG of waste electric and

[J ].J. Hazardous Mater. , 2003, ) 2432263.

]　L I J , XU Z , ZHOU Y. Application of corona discharge and

electrostatic force to separate metals and nonmetals from crushed particles of waste printed circuit boards [J ].J. Electrostatics , 2007, 65(4) :2332238.

[7]　马俊伟, 王真真, 李金惠. 电选法回收废印刷线路板中金属Cu

　

　

的研究[J].环境科学, 2006, 27(9) :189521900.

3　结论

(1) 废印刷电路板非金属细粉和中粉加入到PP

MA J W , WAN G Z Z , L I J H. Study on recovery of copper from waste printed wiring boards by electrostatic separation [J ].Environmental Science , 2006, 27(9) :189521900.

[8]　V EIT H M , BERNARDES A M , FERREIRA J Z , et al . Recovery

of copper from printed circuit boards scraps by mechanical processing and electrometallurgy[J].J. Hazardous Mater. , 2006, B137(3) :170421709.

[9]　ESWARAIAH C , KAVITHA T , VID YASA GAR S , et al .

Classification of metals and plastics from printed circuit boards (PCB ) using air classifier[J].Chemical Engineering and Processing , 2008, 47(4) :5652576.

[10]　郑水林. 粉体表面改性[M ].北京:中国建材工业出版社,

2003:829.

(下转第159页。to be continued on P. 159)

材料中, 都能明显改善PP 材料的拉伸性能、弯曲性能

和低温缺口冲击性能, 但其常温冲击性能降低。其中拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量、低温冲击强度最大增幅分别为16. 3%、41. 5%、63. 5%、100%、45. 7%。

(2) 表面改性对非金属粉/PP 复合材料力学性能改善效果不明显, 非金属粉与聚丙烯基体之间的润湿分散性和相容性都很好、没有明显界面, 且有明显的屈服现象。

(3) 废印刷电路板非金属粉是疏水性的, 可以直接用作PP 基复合材料的填料, 不仅能够提高聚丙烯复

　第9期张治红等:超临界流体选择溶胀法制备含PDMS 嵌段的聚合物纳米多孔薄膜

Macromol. , 2006, 39(14) :474624755.

159

参考文献:

[1]　COOPER A I. Recent developments in materials synthesis and

processing using supercritical CO 2[J ].Adv. Mater. , 2001, 13(14) :111121114.

[2]　L I L , YO KO YAMA H , N EMO TO T , et al . Facile fabrication of nanocellular block copolymer thin films using supercritical carbon

dioxide[J].Adv. Mater. , 2004, 16(14) :122621230. [3]　L I L , YO KO YAMA H , N EMO TO T , et al . CO 2foaming in thin

films of

block copolymer containing fluorinated blocks [J ].

[4]　L I L , YO KO YAMA H. Nanoscale silica capsules ordered on a

substrate:oxidation of nanocellular thin films of poly (styrene 2b 2

dimethylsiloxane ) [J].Angew. Chem. Int. Ed. , 2006, 45(38) :633826341.

[5]　BORN M , WOL F E. In principles of optics[M ].Cambridge , U K:

Cambridge University Press , 1999. [6]　MA GERL E R. Nanotomography[J].Phys. Rev. Lett. , 2000, 85

(13) :274922752.

CO 2Foaming in Thin Films of B lock Copolymer Containing Polydimethylsiloxane (PDMS) B locks

ZHAN G Zhi 2hong 1, HON G Yan 2zhen 2, CHEN Cai 2kang 3, L I Lei 3

(1. Henan Provi ncial Key L aboratory of S urf ace &Interf ace Science , Zhengz hou

U niversity of L ight Indust ry , Zhengz hou 45002, Chi na ; 2. Depart ment of Chem ical

and B iochem ical Engi neeri ng , College of Chem ist ry and Chem ical Engi neeri Xiamen U niversity ; 3. College of M aterials , Xiamen U , Chi na )

ABSTRACT :Isolated nanocells were prepared in a poly (b ) film by scCO 2foaming. The embedded nanocellular structures can (RIE ) and characterized by atomic force microscopy (AFM ) . Such cells may be formed by coalescence of the neighboring resultant nanocells have a density of 710×1010/cm 2and an of more complex structures using the same method but with different block is under investigation. K eyw ords :block copolymer ; supercritical fluid ; porosity

(上接第156页。continued from p. 156)

Polypropylene Filled with Nonmetals R ecycled from W aste PCBs

ZHEN G Yan 2hong 1, SHEN Zhi 2gang 1, CAI Chu 2jiang 1, MA Shu 2lin 1

XIN G Yu 2shan 1, ZHAN G Yue 2, WU Xiao 2

(1. Beiji ng Key L aboratory f or Pow der Technology Research and Development , Beiji ng

U niversity of A eronautics and Ast ronautics , Beiji ng 100191, Chi na ; 2. S uz hou Ji ntong Elect ronic Rejection Recycli ng Co. , L t d , Changshu 215500, Chi na )

ABSTRACT :The polypropylene (PP ) composites filled with nonmetals recycled from waste printed circuit boards (PCBs ) were prepared by melt blending method. The effect of nonmetals on the toughening and strengthening of PP was investigated based on the results of mechanical properties testing , observation of the wettability of nonmetals and impact fracture surface topography of the composites. The results show that the tensile , flexural and low temperature notched impact properties of the nonmetal/PP composites can be improved simultaneously. But the room temperature notched impact properties are decreased. The maximum increment of the tensile strength , tensile modulus , flexural strength , flexural modulus and low temperature notched impact strength is 16. 3%, 41. 5%, 63. 5%, 100%and 45. 7%, respectively. The nonmetals can be used as reinforcing and toughening fillers in the PP composites. K eyw ords :waste PCBs ; nonmetal materials ; filler ; composites ; mechanical properties