CN104610651B - 一种化学处理废弃印刷线路板非金属粉/聚丙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种化学处理废弃印刷线路板非金属粉/聚丙烯复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种化学处理废弃印刷线路板非金属粉/聚丙烯复合材料及其制备方法。其复合材料是将聚丙烯、化学处理废弃印刷线路板非金属粉、相容剂、抗氧剂和润滑剂按比例混合，经过挤出造粒，注塑成型制备而成；其中：化学处理废弃印刷线路板非金属粉通过选自邻苯二甲酸酐、顺丁烯二酸酐、丁二酸酐、硅烷偶联剂、硬脂酸或硬脂酸单甘油酯中的一种或两种的化学处理试剂对预处理后废弃印刷线路板非金属粉进行化学处理获得。本发明的有益效果在于：其利用废弃印刷线路板粉增强聚丙烯制备复合材料，不仅使废弃印刷线路板非金属粉再利用，有利于环境保护，而且得到综合性能优良的复合材料。

Description

一种化学处理废弃印刷线路板非金属粉/聚丙烯复合材料及 其制备方法
技术领域
本发明涉及一种化学处理废弃印刷线路板非金属粉/聚丙烯复合材料及其制备方法。
背景技术
电子产品广泛应用于各个领域，特别是用于改善我们的生活质量，如手机、电脑。随着科技发展的快速加快以及人们的不理性消费（如相互攀比），电子产品的更新速度加快，导致电子产品的使用年限缩短，产生大量的电子废弃物。近年来，电子废弃物的增长速度已超过其他固体废弃物的增长速度，成为增长速度最快的固体废弃物。
印刷电路板（Printed Circuit Boards，简称PCB）是电子产品中最基本的元器件，从电子手表到计算机、家用电器、通信设备都含有印刷电路板。
废弃PCB主要来源于两方面：一是来源于报废的各种电子电器产品；另一来源是在PCB生产过程中产生的大量边角料以及不合格品。边角料和不合格品大约占PCB生产总量的10～20％，因而每年就这一项将产生数量庞大的废弃PCB。
目前我国家用电器已进入淘汰报废的高峰期，每年产生大量的废弃印刷线路板。废弃印刷线路板中含有多种金属，具有较高的回收价值。经过拆解、破碎、分选等步骤，将金属回收再利用，剩下大量的非金属粉末成为二次污染物。
传统上，大规模处置这些非金属粉末的方法是填埋和焚烧。填埋不仅占用宝贵的土地资源，而且会污染环境。焚烧会产生大量的有毒物质，特别是多溴代二苯并二恶英和多溴代二苯并呋喃，这些有毒物质是由于含溴的PCB基板在燃烧过程中产生的。这些方法目前已被禁用。
由于废弃印刷线路板非金属基板是玻璃纤维增强的热固性环氧树脂，不溶不熔，难以用常规回收废塑料的方法回收利用。用废弃印刷线路板非金属粉制备建筑材料、复合材料（特别是高分子复合材料）是目前关于废弃印刷线路板非金属粉资源化最受关注的一个研究领域。但是用非金属粉末填充改性高分子材料的一个难点是需要对非金属粉深度粉碎，一般需要粉碎到100多目，甚至180目（CN102161798、CN102161802、CN102675736）才具有适用价值。过细的非金属粉末在粉碎过程中，不仅消耗过多的能量，增加成本，而且产生大量粉尘和有毒物质，造成二次污染。另外，用废弃印刷线路板非金属粉改性高分子材料制备复合材料的另一个缺点是导致复合材料的韧性大大降低，使复合材料的适用范围受限。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种化学处理废弃印刷线路板非金属粉/聚丙烯复合材料及其制备方法，本发明方法工艺简单，对环境友好；通过本发明方法不但可以有效地得到综合性能优良的聚丙烯复合材料，而且其资源化废弃印刷线路板非金属粉时，能克服废弃印刷线路板非金属粉深度粉碎的缺陷，减少深度粉碎带来的二次环境污染。
本发明的目的是由以下技术方案实现的。
一种化学处理废弃印刷线路板非金属粉/聚丙烯复合材料，所述复合材料的配方中包括聚丙烯、化学处理废弃印刷线路板非金属粉、相容剂、润滑剂和抗氧剂； 所述聚丙烯、化学处理废弃印刷线路板非金属粉、相容剂、润滑剂和抗氧剂的重量比为（44～84）：（10～50）：(5～30)：(0.5～3)：(0.5～2)；其中：所述化学处理废弃印刷线路板非金属粉的制备方法如下：
① 按重量体积比1：（3～8） g/mL，将粒径为20目～180目的废弃印刷线路板非金属粉加入到摩尔浓度为1～8mol/L的无机酸中，在50℃～95℃的温度下反应0.5～30小时，反应结束后过滤，用水将非金属粉洗至中性，干燥，得到无机酸处理废弃印刷线路板非金属粉；收集滤液，循环使用；
② 将无机酸处理废弃印刷线路板非金属粉和化学处理试剂，按照重量比为（85～99）：（1～15）于高速搅拌机中高速混合，混合后干燥，得到化学处理废弃印刷线路板非金属粉；其中：所述化学处理试剂选自邻苯二甲酸酐、顺丁烯二酸酐、丁二酸酐、水解后硅烷偶联剂、硬脂酸或硬脂酸单甘油酯中的一种或两种。
本发明中，所述的相容剂为聚丙烯接枝马来酸酐PP-g-MAH或聚丙烯接枝丙烯酸PP-g-AA中的一种或两种。所述的润滑剂为聚乙烯蜡、氧化聚乙烯蜡、硬脂酸、硬脂酸钙或N,N’－乙撑双硬脂酰胺中的一种或两种。所述的抗氧剂由四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯和亚磷酸三[2.4-二叔丁基苯基]酯以重量比1：（1～3）复配而成。
本发明中，制备化学处理废弃印刷线路板非金属粉时，所述粒径为20目～180目的废弃印刷线路板非金属粉由带有元器件的废弃印刷线路板或线路板生产过程产生的边角料经过粉碎、分选和过筛处理获得。
本发明中，制备化学处理废弃印刷线路板非金属粉时，所述无机酸为硫酸、盐酸或硝酸中的一种或两种。
本发明中，制备化学处理废弃印刷线路板非金属粉时，所述无机酸处理废弃印刷线路板非金属粉和化学处理试剂高速混合时，其转速为1500～2000rpm/min，时间为12～35min；混合后干燥温度为100～140℃，时间为2～10小时。
本发明中，制备化学处理废弃印刷线路板非金属粉时，无机酸处理废弃印刷线路板非金属粉和化学处理试剂的重量比优选为（90～99）：（1～10）。
本发明中，制备化学处理废弃印刷线路板非金属粉时，所述水解后硅烷偶联剂通过将硅烷偶联剂与乙醇、水按重量比（0.5～4）：（5～8.5）：（1～3.5）混合后，在室温下搅拌20～40min制备得到。
本发明还进一步提供一种化学处理废弃印刷线路板非金属粉/聚丙烯复合材料的制备方法，具体步骤如下：
（一）制备化学处理弃印刷线路板非金属粉
① 按重量体积比1：（3～8） g/mL，将粒径为20目～180目的废弃印刷线路板非金属粉加入到摩尔浓度为1～8mol/L的无机酸中，在50℃～95℃的温度下反应0.5～30小时，反应结束后过滤，用水将非金属粉洗至中性，干燥，得到无机酸处理废弃印刷线路板非金属粉；滤液回收循环利用；
② 将无机酸处理废弃印刷线路板非金属粉和化学处理试剂，按照重量比为（85～99）：（1～15）于高速搅拌机中高速混合，混合后干燥，得到化学处理废弃印刷线路板非金属粉；其中：所述化学处理试剂选自邻苯二甲酸酐、顺丁烯二酸酐、丁二酸酐、水解后硅烷偶联剂、硬脂酸或硬脂酸单甘油酯中的一种或两种；
（二）挤出造粒
首先将所述的化学处理废弃印刷线路板非金属粉、聚丙烯、相容剂、润滑剂、抗氧剂按比例混合，经过挤出造粒，得到复合材料粒料；再将所述的复合材料粒料进行干燥处理，得到干燥后的复合材料粒料； 其中：所述的挤出造粒过程中，各个段区的温度均在180～230℃范围内，螺杆转速为80～180rpm/min；
（三）注塑成型
将干燥后的复合材料粒料进行注塑成型，得到化学处理废弃印刷线路板非金属粉/聚丙烯复合材料；所述的注塑成型各段区温度为180～230℃。
上述制备方法中，步骤（一）中，无机酸处理废弃印刷线路板非金属粉后的滤液循环使用。
上述制备方法中，步骤（二）中，干燥处理复合材料粒料的温度为70～120℃，时间为10～30小时。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
①本发明方法工艺简单，能有效将废弃印刷线路板非金属粉资源化。
②本发明中利用无机酸使非金属粉末中热固性环氧树脂部分化学键分解；其无机酸能回收并循环使用，不造成二次污染。
③本发明首次使用邻苯二甲酸酐、顺丁烯二酸酐、丁二酸酐、硬脂酸、单硬脂酸甘油酯中一个或两个处理非金属粉末，在不需要深度粉碎（例如粒度在20目-100目之间）的情况下可制备获得综合性能优良的复合材料；能避免过细的非金属粉末在粉碎过程中消耗过多的能量，以及产生过多的粉尘和有毒物质，既节能又环保。
④ 在没有添加增韧剂的情况下，本发明制备的复合材料具有很好的韧性，而且对环境友好。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行详细描述，但下列实施例并不用于限制本发明，下列实施例中的相容剂、抗氧剂混合原料也可选用市售类似性能的产品，凡是没有其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围内。
本发明中，对复合材料进行力学性能测试时，其拉伸强度用电子万能试验机（3360，美国Instron公司），依据ASTM D638标准测定；弯曲强度用电子万能试验机（3360，美国Instron公司），依据ASTM D790标准测定；冲击强度用摆锤冲击试验机（ZBC7000，美特斯工业系统（中国）有限公司），依据ASTM D256标准测定。
实施例1
制备无机酸处理废弃印刷线路板非金属粉
将废弃印刷线路板经过粉碎、分选、过筛收集，得到不同目数的废弃印刷线路板非金属粉；
将不同目数的废弃印刷线路板非金属粉150g加入到450mL4M硝酸中，于80℃加热8小时后，过滤，用水将非金属粉洗至中性，干燥，得到不同目数的硝酸处理废弃印刷线路板非金属粉。滤液回收再利用。
实施例2
制备丁二酸酐处理废弃印刷线路板非金属粉
将实施例1得到20～40目硝酸处理废弃印刷线路板非金属粉与丁二酸酐丙酮溶液加入到高速搅拌机里高速混合，混合后干燥，得到丁二酸酐处理废弃印刷线路板非金属粉。所述的硝酸处理废弃印刷线路板非金属粉与丁二酸酐的重量比为94：6；所述的丁二酸酐丙酮溶液中，丁二酸酐和丙酮重量比为15：85；所述的高速混合，转速2000rpm/min，时间为15分钟；所述的干燥温度为110℃，时间为6小时；
挤出造粒
将上述得到的丁二酸酐处理废弃印刷线路板非金属粉、聚丙烯、相容剂PP-g-MAH、氧化聚乙烯、复配抗氧剂（四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯和亚磷酸三[2.4-二叔丁基苯基]酯重量比1：1混合）按重量比为20：63：15：1.5：0.5在高速混合机里高速混合，挤出造粒，得到复合材料颗粒，干燥备用。所述的高速混合，转速为1800rpm/min，时间为12分钟；挤出机的六个段区温度分别为：200℃、210℃、220℃、230℃、220℃、210℃，螺杆转速为80rpm/min；干燥温度为100℃，时间12小时；
注射成型
将上述干燥的复合材料颗粒注塑成型，得到所述的化学处理废弃印刷线路板非金属粉/聚丙烯复合材料；注塑各段区温度为200℃、210℃、220℃、205℃。
检测结果表明，本实施例的复合材料的拉伸强度为326.57MPa；弯曲强度为38.88MPa；冲击强度为12.38 kJ/m2。
实施例3
制备邻苯二甲酸酐处理废弃印刷线路板非金属粉
将实施例1得到的40～60目硝酸处理废弃印刷线路板非金属粉与邻苯二甲酸酐的丙酮溶液加入高速搅拌机里高速混合，混合后干燥，得到邻苯二甲酸酐处理废弃印刷线路板非金属粉。所述的硝酸处理废弃印刷线路板非金属粉与邻苯二甲酸酐的重量比为94：6；所述的邻苯二甲酸酐丙酮溶液中，邻苯二甲酸酐和丙酮重量比为15：85；所述的高速混合，转速2000rpm/min，时间为15分钟；所述的干燥温度为110℃，时间为6小时；
挤出造粒
将上述得到的邻苯二甲酸酐处理废弃印刷线路板非金属粉、聚丙烯、相容剂PP-g-MAH、氧化聚乙烯、复配抗氧剂（四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯和亚磷酸三[2.4-二叔丁基苯基]酯重量比1：1混合）按重量比为20：63：15：1.5：0.5在高速混合机里高速混合，挤出造粒，得到复合材料颗粒，干燥备用。所述的高速混合，转速为1800rpm/min，时间12分钟；挤出机的六个段区温度分别为：200℃、210℃、220℃、230℃、220℃、210℃，螺杆转速为80rpm/min；干燥温度为110℃，时间12小时；
注射成型
将上述干燥的复合材料颗粒注塑成型，得到所述的化学处理废弃印刷线路板非金属粉/聚丙烯复合材料；注塑各段区温度为200℃、210℃、220℃、205℃。
检测结果表明，本实施例的复合材料的拉伸强度为28.3MPa；弯曲强度为43.5MPa；冲击强度为10.5 kJ/m2。
实施例4
① 硅烷偶联剂KH550乙醇溶液的制备
将硅烷偶联剂KH550与乙醇、水按重量比1.5：7.5：1混合，在室温下搅拌20～40min，得到水解后硅烷偶联剂KH550的乙醇溶液；
② 制备水解后硅烷偶联剂处理废弃印刷线路板非金属粉
将实施例1得到的60～80目硝酸处理废弃印刷线路板非金属粉与硅烷偶联剂KH-550的乙醇溶液加入高速搅拌机里高速混合，混合后干燥，得到硅烷偶联剂KH550处理废弃印刷线路板非金属粉。所述的硝酸处理废弃印刷线路板非金属粉与硅烷偶联剂KH-550的重量比为94：6；所述的高速混合，转速2000rpm/min，时间为18分钟；所述的干燥温度为110℃，时间为8小时；
③ 挤出造粒
将水解后硅烷偶联剂KH550处理废弃印刷线路板非金属粉、 聚丙烯、相容剂PP-g-MAH、氧化聚乙烯、复配抗氧剂（四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯和亚磷酸三[2.4-二叔丁基苯基]酯重量比1：1混合）按重量比为20：63：15：1.5：0.5在高速混合机里高速混合，挤出造粒，得到复合材料颗粒，干燥备用。造粒过程中挤出机的六个段区温度分别为：200℃、210℃、220℃、230℃、220℃、210℃，螺杆转速为100rpm/min；干燥温度为110℃，时间12小时；注射成型温度为：200℃、210℃、220℃、205℃；
④ 注射成型
将上述干燥的复合材料颗粒注塑成型，得到所述的化学处理废弃印刷线路板非金属粉/聚丙烯复合材料；注塑各段区温度为190℃、200℃、210℃、200℃。
检测结果表明，本实施例的复合材料的拉伸强度为31.07MPa；弯曲强度为44.41MPa；冲击强度为28.38kJ/m2。
实施例5
制备顺丁烯二酸酐处理废弃印刷线路板非金属粉
将实施例1得到40～60目硝酸处理废弃印刷线路板非金属粉与顺丁烯二酸酐丙酮溶液加入高速搅拌机里高速混合，混合后干燥，得到顺丁烯二酸酐处理废弃印刷线路板非金属粉。所述的硝酸处理废弃印刷线路板非金属粉与顺丁烯二酸酐的重量比为94：6；所述的顺丁烯二酸酐丙酮溶液中，顺丁烯二酸酐和丙酮的重量比为15：85；所述的高速混合，转速2000rpm/min，时间为15分钟；所述的干燥温度为110℃，时间为6小时；
挤出造粒
将上述得到的顺丁烯二酸酐处理废弃印刷线路板非金属粉、聚丙烯、相容剂PP-g-MAH、氧化聚乙烯、复配抗氧剂（四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯和亚磷酸三[2.4-二叔丁基苯基]酯重量比1：1混合）按重量比为20：63：15：1.5：0.5在高速混合机里高速混合，混合后挤出造粒，得到复合材料颗粒，干燥备用。所述的高速混合，转速为1800rpm/min，时间为12分钟；挤出机的六个段区温度分别为：200℃、210℃、220℃、230℃、220℃、210℃，螺杆转速为80rpm/min；干燥温度为100℃，时间12小时；
注射成型
将上述干燥的复合材料颗粒注塑成型，得到所述的化学处理废弃印刷线路板非金属粉/聚丙烯复合材料；注塑各段区温度为200℃、210℃、220℃、205℃。
检测结果表明，本实施例的复合材料的拉伸强度为30.5MPa；弯曲强度为43.9MPa；冲击强度为16.6kJ/m2。
实施例6
制备硬脂酸处理废弃印刷线路板非金属粉
将实施例1得到100目的硝酸处理废弃印刷线路板非金属粉与硬脂酸乙醇溶液加入到高速搅拌机里高速混合，混合后干燥，得到硬脂酸处理废弃印刷线路板非金属粉。所述的硝酸处理废弃印刷线路板非金属粉与硬脂酸的重量比为94：6；所述的硬脂酸乙醇溶液中，硬脂酸和乙醇的重量比为10：90；所述的高速混合，转速2000rpm/min，时间15分钟；所述的干燥温度为120℃，时间为7小时；
挤出造粒
将上述得到的硬脂酸处理废弃印刷线路板非金属粉、聚丙烯、相容剂PP-g-MAH、氧化聚乙烯、复配抗氧剂（四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯和亚磷酸三[2.4-二叔丁基苯基]酯重量比1：1混合）按重量比为20：63：15：1.5：0.5在高速混合机里高速混合，混合后挤出造粒，得到复合材料颗粒，干燥备用。所述的高速混合，转速1800rpm/min，时间12分钟；挤出机的六个段区温度分别为：200℃、210℃、220℃、230℃、220℃、210℃，螺杆转速为80rpm/min；干燥温度为110℃，时间12小时；
注射成型
将上述干燥的复合材料颗粒注塑成型，得到所述的化学处理废弃印刷线路板非金属粉/聚丙烯复合材料；注塑各段区温度为200℃、210℃、220℃、205℃。
检测结果表明，本实施例的复合材料的拉伸强度为30.33MPa；弯曲强度为41.77MPa；冲击强度为53.01 kJ/m2。
实施例7
制备硬脂酸单甘油酯处理废弃印刷线路板非金属粉
将实施例1得到80～100目硝酸处理废弃印刷线路板非金属粉与硬脂酸单甘油酯乙醇溶液加入高速搅拌机里高速混合，混合后干燥，得到硬脂酸单甘油酯处理废弃印刷线路板非金属粉。所述的硝酸处理废弃印刷线路板非金属粉与硬脂酸单甘油酯的重量比为94：6；所述的硬脂酸单甘油酯乙醇溶液中，硬脂酸单甘油酯和乙醇的重量比为10：90；所述的高速混合，转速2000rpm/min，时间12分钟；所述的干燥温度为110℃，时间为5小时；
挤出造粒
将上述得到的硬脂酸单甘油酯处理废弃印刷线路板非金属粉、聚丙烯、相容剂PP-g-MAH、氧化聚乙烯、复配抗氧剂（四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯和亚磷酸三[2.4-二叔丁基苯基]酯重量比1：1混合）按重量比为20：63：15：1.5：0.5在高速混合机里高速混合，挤出造粒，得到复合材料颗粒，干燥备用。所述的高速混合，转速1800rpm/min，时间19分钟；挤出机的六个段区温度分别为：200℃、210℃、220℃、230℃、220℃、210℃，螺杆转速为80rpm/min；干燥温度为120℃，时间4小时；
注射成型
将上述干燥的复合材料颗粒注塑成型，得到所述的化学处理废弃印刷线路板非金属粉/聚丙烯复合材料；注塑各段区温度为200℃、210℃、220℃、205℃。
检测结果表明，本实施例的复合材料的拉伸强度为29.26MPa；弯曲强度为41.89MPa；冲击强度为31.68 kJ/m2。

Claims (7)

1.一种化学处理废弃印刷线路板非金属粉/聚丙烯复合材料，其特征在于：所述复合材料的配方中包括聚丙烯、化学处理废弃印刷线路板非金属粉、相容剂、润滑剂和抗氧剂；所述聚丙烯、化学处理废弃印刷线路板非金属粉、相容剂、润滑剂和抗氧剂的重量比为(44～84)：(10～50):(5～30)：(0.5～3)：(0.5～2)；其中：所述化学处理废弃印刷线路板非金属粉的制备方法具体步骤为：
①按重量体积比1：(3～8)g/mL，将粒径为20目～180目的废弃印刷线路板非金属粉加入到摩尔浓度为1～8mol/L的无机酸中，在50℃～95℃的温度下反应0.5～30小时，反应结束后过滤，用水将非金属粉洗至中性，干燥，得到无机酸处理废弃印刷线路板非金属粉；
②将无机酸处理废弃印刷线路板非金属粉和化学处理试剂按照重量比为(85～99)：(1～15)于高速搅拌机中高速混合，混合后干燥，得到化学处理废弃印刷线路板非金属粉；其中：所述化学处理试剂包括硬脂酸和/或硬脂酸单甘油酯。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：所述的相容剂为聚丙烯接枝马来酸酐PP-g-MAH或聚丙烯接枝丙烯酸PP-g-AA中的一种或两种；所述的润滑剂为聚乙烯蜡、氧化聚乙烯蜡、硬脂酸、硬脂酸钙或N,N’－乙撑双硬脂酰胺中的一种或两种；所述的抗氧剂由四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯和亚磷酸三[2.4-二叔丁基苯基]酯以重量比1：(1～3)复配而成。
3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：制备化学处理废弃印刷线路板非金属粉时，所述的粒径为20目～180目的废弃印刷线路板非金属粉由带有元器件的废弃印刷线路板或线路板生产过程产生的边角料经过粉碎、分选和过筛处理获得。
4.根据权利要求1或3所述的复合材料，其特征在于：制备化学处理废弃印刷线路板非金属粉时，所述废弃印刷线路板非金属粉的粒径为20目～100目。
5.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：制备化学处理废弃印刷线路板非金属粉时，所述的无机酸为硫酸、盐酸或硝酸中的一种或两种。
6.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：制备化学处理废弃印刷线路板非金属粉时，所述无机酸处理废弃印刷线路板非金属粉和化学处理试剂高速混合时，其转速为1500～2000rpm/min，时间为12～35min；混合洗涤后干燥温度为100～140℃，时间为2～10小时。
7.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于：制备化学处理废弃印刷线路板非金属粉时，无机酸处理废弃印刷线路板非金属粉和化学处理试剂的重量比为(90～99)：(1～10)。
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