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玻璃废弃!废弃液晶显示面板资源化处理进展

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主要论述了玻璃废弃论文范文相关参考文献文献

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(常州工程职业技术学院 材料工程技术系,江苏 常州 213164)

摘 要:综述了废弃液晶显示面板偏光片、液晶、ITO膜及玻璃基板的资源化处理.认为:现有的处理技术大多存在不够系统化、处理成本高、附加值低、二次污染等问题,迄今为止还没有一条经济上可行的环保的工艺处理路线.开发出一条无害资源化处理工艺,利用剥离液将废弃液晶显示面板分离为偏光片、ITO膜和玻璃基板,再将其分别资源化利用为有机单体、金属铟和环保轻石,具有环保与资源双重意义.

关键词:废弃液晶显示面板;资源化处理;研究进展

中图分类号:X76 文献标识码:A 文章编号:1008-9500(2014)06-0023-04

LCD(Liquid Crystal Display)液晶屏具有体积小、质量轻、清晰度高、图像色彩好等优点,广泛应用于工业生产中.近年来液晶屏的生产量和废弃量也在逐年增加.据统计我国2010 年废弃的笔记本电脑为1 493.14×104 台,预计到2020将达到5 270. 8×104台[1].目前使用的液晶电视、电脑液晶显示器均为薄膜晶体管显示器(TFT-LCD),液晶电视的生命周期一般为6~8年,笔记本电脑为4~5年,随着使用时间延长,未来将有大量的废弃LCD产生[2-3].废弃LCD的另一个产生途径主要是液晶屏在生产线上会产生大量的次品液晶屏,有些生产线次品率高达5%~15%.

目前在我国,有一小部分废弃液晶屏通过多种方式到了废品收集站得以回收利用,剩余的大部分被填埋处理了.回收的废弃液晶屏经分类、清洗后,重新利用进入回收加工厂,回炉后重新制成玻璃制品.但是由于废弃液晶屏中含有大量有色金属杂质,难以保证回炉产品的质量,仅是作为有色农药瓶的玻璃原料.因此,能得到回收利用的废弃液晶屏相当有限,而且回收成本也高,企业本身效益并不理想,废弃液晶屏回收利用难以实现产业化.

LCD主要由液晶显示面板、薄膜集和背光灯模块组成.其中液晶显示面板是LCD的核心组件,主要由上偏光片;附着有滤光片、导电电极及定向膜的上玻璃基板;液晶;附着有导电电极、定向膜及薄膜晶体管的下玻璃基板以及下偏光片等部分组成[4-5].目前,国内外对废弃液晶显示面板的回收利用主要集中在对偏光片、液晶、ITO膜(IndiumTimOxide)、玻璃基板等的分离和资源化利用方面.

1LCD偏光片的分离和资源化利用

偏光片是由偏光膜和保护膜组成的复合膜,采用胶粘剂粘接、热压等方式与玻璃基板结合.偏光膜为液晶显示器的重要组件之一.LCD常用的偏光膜基本结构为含碘或其他二向色性染料的聚乙烯醇(PVA)膜,保护膜的主要成分是三醋酸纤维素(TAC)[6].

方伟清[7]在一种废旧液晶显示屏处理的工艺方法中提到利用丙酮浸取液晶玻璃盒,去除偏光片.李金惠等人[8]基于人工拆除和化学处理基础上,提出了一种对液晶显示器结合循环工艺过程的处理方法.即通过热冲击法来分离液晶显示器的偏光膜.结果表明,热冲击法分离偏光膜的最佳温度范围为230~240℃.刘志峰,赵凯等人[9]在一种废旧液晶显示器的玻璃面板产业化回收方法及装置中利用磨削轮对玻璃基板上的膜层进行磨削,收集膜层膜屑,然后用有机溶剂对膜屑进行浸泡,利用机械搅拌和离心沉降,使玻璃颗粒与偏光片颗粒分离.本课题组在液晶显示屏玻璃基板回收方法中利用无机碱NaOH和酸HF加热浸泡的方法实现了玻璃基板和偏光膜的分离[10].

叶颖莹,贺文智等人[11]以废液晶显示面板中的偏光片为原料,利用水热条件下水的特殊溶剂性能和物理性质,实现废液晶显示面板中偏光片的破坏、水解,获得乳酸,实现资源化回收,为废弃偏光片的资源化利用提供了新的思路.叶萌[12]在废弃三醋酸纤维素的回收再生及其相关性能研究中提出,以二苯甲酮为光敏剂,通过紫外辐照接枝聚合的方法可以在醋酸纤维素膜的表面引入不饱和脂肪酸油酸,改性后的膜材符合血液滤材的一般标准.

综上所述,实现偏光片和玻璃基板分离的方法主要有机溶剂浸泡法、热冲击法、物理磨削法和无机酸碱处理法等4种.其中有机溶剂浸泡法中,有机溶剂易挥发,易对环境产生二次污染;热冲击法产生的废气也需要进行必要的后续处理;物理磨削法设备复杂,成本极高;无机酸碱处理法,由于加热酸碱挥发而对环境存在潜在的影响,需进行优化研究.因此,对分离出的偏光膜的资源化利用的主要思路是对其进行水解和改性.

2LCD废液晶与ITO膜资源化处理

液晶属有机物,易溶于某些有机溶剂.在废弃液晶屏中的含量极少,约为总质量的0.1%,废弃液晶屏中的铟主要以铟锡氧化物形态ITO(In2O3/SnO2)结合在玻璃基板的滤光片上,铟(In)属于稀有金属,在废弃液晶屏中含量约为总质量的0.016%.

据文献报道,对废液晶和ITO膜的处理技术主要包括气体萃取、有机溶剂提取、超声清洗、焚烧和热解等.王玉琳等人[13]在回收废弃液晶显示屏中液晶时将液晶玻璃基板放置在密闭的萃取器中,通入CO2萃取剂,以超临界状态的CO2流体使玻璃基板上的液晶充分溶解.再通过控制压力分别收集气态的CO2和液态的液晶,实现液晶分离回收.此法对设备要求较高.

聂耳等人[14]用有机溶剂丙酮在15 min内清除玻璃基板上附着的液晶物质.用50 mL硫酸溶液(200 g/L)和0.5 g二氧化锰联合浸取玻璃基板,金属铟的回收率达到89%,得到铟的酸液在经萃取、置换和电解可以得到铟的产品.在此处理过程中,由于有机溶剂的挥发会增加含液晶废溶液后续处理以及分离后的偏光膜的后续处理的难度.

李金惠等人[8]通过超声清洗的方法去除玻璃衬底之间的液晶,通过溶解玻璃分散的方法回收金属铟.研究结果表明:超声清洗最有效的频率(功率)和时间分别为40Hz(P等于40W)和10min;从玻璃分离铟的混合酸浓度为:回收金属铟的溶剂为浓盐酸38%和硝酸69%(盐酸∶硝酸∶水等于45∶5∶50,体积比).但超声波清洗后的含液晶溶液还需进行后续处理,增加了处理工序过程,此外酸的挥发也对环境存在潜在的影响.

Chien等[15]对液晶显示器进行了焚烧处理,首先对液晶在高纯空气条件下进行了热重实验,得出液晶在焚烧条件下最大的失重点是550K,同时检测出焚烧后的主要产物包括CO,CO2,CH4和C2H6等.但是焚烧方法会造成排放气体的二次污染,须在烟气排放系统加处理装置.

目前,国内外在对废液晶处理方面,多采用丙酮作为溶剂对玻璃基板间的液晶进行溶解,然后借助丙酮与液晶的沸点差蒸馏分离液晶,分离后所得液晶可以在1000~1200℃下直接焚烧以实现无害化与减量化.但是高温焚烧已会造成排放气体的二次污染,须在烟气排放系统加处理装置.

3LCD玻璃基板资源化处理

废弃液晶屏包含两块玻璃基板,是液晶屏面板的关键原材料,一般是中性硼硅玻璃和无碱硅酸铝玻璃,约占总质量的83%.其特点是膨胀系数小,在0~200 ℃的温度突变下不易炸裂;耐酸、耐碱、耐水、抗腐蚀等.通常玻璃基板因材质特殊,无法回收至传统的平板玻璃熔融制造厂,也因膨胀系数小无法送至容器玻璃熔融制造厂.因此有研究者认为不含液晶的玻璃基板回收后,应以加工资源化方向进行,例如以一定比例添加至制砖的坯砖原料中烧制红砖或应用于绿色建材等.目前我国台湾已有业者申请许可废液晶玻璃再利用,生产建筑用红砖掺配原料,或用来烧制水泥、混凝土添加材料使用.另外,基于玻璃基板的高耐热性、高化学稳定性和良好的机械性能,可以将其用作建筑材料的添加料来实现其资源化利用.如向混凝土、水泥、瓷砖和玻璃陶瓷中添加一定量的废玻璃基板,不仅能满足材料的各项建筑性能指标,而且还能增加其强度.但是这种利用方式其添加量相对较小,仅为20%~30%,难以消耗大量的玻璃基板,且附加值不高.郭宏伟等人[16]在利用废液晶显示器玻璃生产泡沫玻璃的制备方法中,将废弃液晶屏玻璃基板破碎,加入碳酸钙、硼砂和高锰酸钾后进行粉磨,再装模烧制成泡沫玻璃.此产品中玻璃基板占有量达80%,附加值高.但存在采用有模发泡耗能量大及配料装模时粉尘较多污染环境等缺点[17].

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4废弃液晶显示面板无害化资源化处理

近年来,国内外学者虽然在废弃液晶显示面板的资源化处理方面做了大量的研究工作,但是大多存在不够系统化、处理成本高、附加值低、存在二次污染等问题.

本课题组提出了一条经济上可行的、无二次污染的资源化处理工艺路线.此工艺利用偏光片剥离液将废弃液晶显示面板分离为偏光片和具有ITO膜的玻璃基板,再利用ITO剥离液将ITO膜和玻璃基板分离,此剥离液可循环利用.实现分离后,将偏光片进行高温介质裂解成低聚合物,可用作化工原料;ITO膜通过萃取获得稀有金属铟;玻璃基板加工成环保轻石,可应用于荒山荒地、城市园林绿化等雨水的储存利用.

废弃液晶显示面板无害化资源化处理工艺见图1.

5结语

废液晶显示面板资源化处理主要包括对偏光片、液晶、ITO膜、玻璃基板等的分离和资源化利用.实现偏光片和玻璃基板分离的方法主要有有机溶剂浸泡法、热冲击法、物理磨削法和无机酸碱处理法.对废液晶和ITO膜的处理技术主要包括气体萃取、有机溶剂提取、超声清洗、焚烧和热解等.玻璃基板可作为添加剂添加到混凝土、水泥、瓷砖和玻璃陶瓷中以提高其强度和耐久性;或作为主体材料添加外加剂后烧制成泡沫玻璃.采取无害化资源化处理工艺,利用剥离液将废弃液晶显示面板分离为偏光片、ITO膜和玻璃基板,再将其分别资源化利用为有机单体、金属铟和环保轻石,具有资源与环境双重意义.

参考文献

1张宇平.废弃电器电子产品处理过程中的重要问题[J].市场,2010,(8):20-22.

2STEFAN S, MARKUS S, KURT M.Recycling of LCD screensin europe-state of the art and challenges[J].End of Life Management-Selected Applications,2011,78:454-458.

3RYAN A,DONOGHUE L O,LEWIS H.Characterising componentsof liquid crystal displays to facilitate disassembly[J].Journalof Cleaner Production,2011,(19):1066-1071.

4庄绪宁,贺文智,李光明,等.废液晶显示屏的环境风险与资源化策略[J].环境污染与防治,2010,32(5):97-99,105.

5梁继军.废液晶显示器热处理过程产物研究[D].四川:西南交通大学,2009.

6文尚胜,莫文贞,文斐,等.薄膜晶体管液晶显示器用偏光片技术研究进展[J].半导体光电,2007,28(6):751-756.

7方伟清.一种废旧液晶显示屏处理的工艺方法[P].中国专利:CN201010295612.X,2011-04-06.

8JinhuiLi,SongGao,HuaboDuan,LiliLiu. Recovery of valuablematerials from waste liquid crystal disPlay panel[J].WasteManagement.2009,(1):19.

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9刘志峰,赵凯,王玉琳,等.一种废旧液晶显示器的玻璃面板产业化回收方法及装置[P].中国专利:CN201210122858.6,2012-08-15.

10孙媛媛,唐惠东,侯文顺,等.液晶显示屏玻璃基板回收方法[P].中国专利:CN201110105636.9,2011-04-27.

11叶颖莹,贺文智,庄绪宁,等.废液晶显示器偏光片水热法降解的实验研究[J].环境科学与技术,2013,36(2):164-167.

12叶萌.废弃三醋酸纤维素的回收再生及其相关性能研究[D].上海:上海交通大学,2007.

13王玉琳,朱虎兵,宋守许,等.废弃液晶显示屏中液晶回收的方法及系统[P].中国专利:CN201110311620.3,2012-06-20.

14聂耳,罗兴章,郑正,等.液晶显示器液晶处理与锢回收技术[J].环境工程学报,2008,2(9):1251-1254.

15Yi-Chi Chien,Pai-Haung Shih.Emission of Polyeyclic AromaticHydrocarbons on the combustion of liquid crystal DisPlay ComPonents[J].Joumal of Environmental Engineering. 2006,132(9):1028-1033.

16郭宏伟,翟鹏,高淑雅,等.利用废液晶显示器玻璃生产泡沫玻璃的制备方法[P].中国专利:CN200810018092.0,2008-11-05.

17王承遇,陶瑛.泡沫玻璃研制中存在的问题及解决方案[J].玻璃与搪瓷,2006,34(6):53-56.

(责任编辑/陈军)

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