热机控制的低温分层方法

摘要

本发明的目的是提供一种用于从多层人工制品中回收原材料的方法。该方法包括使得待回收的材料处于低温状态，并且利用了不同材料的不同层的不同热力和弹性性能。

权利要求

1.一种热机控制的低温分层方法，所述方法用于完全回收涂覆有塑料材料的刚性的单体材料、多晶材料或者非晶材料，所述方法包括使用下述器件：至少一个用来使得受控低温冷却系统的元件或者部件进行受控低温冷却的受控低温冷却系统(1)；至少一个用于高速加热的选择性温度控制系统(2)；用于产生处于固有的第一共振频率下的振动的高频运动传送系统(3)；至少一个处于受控压力下的吹入系统(4)；至少一个动力传输系统；以及至少一个用于对层进行操作的机械执行器(5)；该方法的特征在于下述阶段：-以给定时间对所有层进行温度均一化；

-借助于受控低温冷却系统(1)在靠近待回收的材料层的层的低温温度下进行迅速或者超级迅速冷却，从而通过流体压缩机或者其他适当系统来控制冷载体的流速和压力；

-当低温温度稳定时，在待回收的材料层中以受控频率进行热力循环叠加，以在显著更高的温差下传递在保持在低温温度的外层与待回收的层之间的温差，从而在不同温度下采用不同的膨胀机械性能，然后在这些层之间产生不同的分享应力：即热力分层应力或τT；

-始终在稳定的低温温度的状况下，可能同时叠加在第一共振频率下由整个元件的振动或者多层组合的振动所控制的弯曲应力的循环；这种动作在待回收的材料层与邻近层之间产生了次要的机械剪切应力，即，机械分层应力或τM，机械剪切应力的频率与热力循环同相并且产生了总分层应力，该总分层应力相比于各个效果是协作的；

-在受控压力和流速下吹入液体混合物，用于对这些层进行最终分层，或者将这些层完全浸入到液体或气体混合物中；

-一个或多个外层相对于待回收的材料层的机械分离也是借助于适当的机械作用装置通过浸入到适当的液体或气体混合物中进行的。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，受控低温冷却系统(1)适于冷却并且用于实时控制冷却条件，也就是说，冷冻的冷载体的温度和流速。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，冷载体压缩机连续地控制压力和流速，并且冷载体压缩机适合于在低于0摄氏度的温度下操作。

4.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，经由选择性温度控制系统(2)通过直接接触或者非直接接触来实现差分加热，所述选择性温度控制系统(2)适合于在没有加温邻近层的情况下专门影响待处理的多层部件的高导热率层，所述高导热率层即待回收的材料。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在非直接接触性系统的情况下，选择性温度控制系统能够是磁感应型的，照射感应型的或者辐射感应性的；而在直接接触性系统的情况下，选择性温度控制系统能够是导电型的，或者是导热型的。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，材料的分离是通过在待回收的材料层的受控频率下施加热力循环而专门获得的，或者材料的分离在没有叠加处于固有的第一共振频率下的振动的情况下而专门获得的。

7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，液体和/或气态混合物在受控压力和流速下用于层(C2、P、M、CI)的最终分离的吹入通过压缩机完成，或者在浸有待处理的元件的受控的环境室内完成。

8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，元件的层(C2、P、M、CI)的分离借助于下述方式来实现：即经由接触式按压系统或者经由借助于刚性离合器系统的机械切削来分配和传送到所述层(C2、P、M、CI)的剪切应力来实现，从而影响外层的厚度。

说明书

热机控制的低温分层方法

技术领域

[0001] 本发明的目的是在处理领域中用于报废回收在多层人工制品的制造中所采用的原材料。更加特别的是，本发明的目的是一种用于人工制品的低温调节方法，该人工制品包括散布有具有热力和弹性特性不同且刚性不同的材料的多个刚性材料层。

背景技术

[0002] 正如所已知地那样，电子和电气废料的良好部分(诸如上面所描述的人工制品)在没有任何前期处理的情况下送去垃圾掩埋或者经历焚化和回收处理，因而导致了随后将高污染物质散布到环境中。

[0003] 相对照地，许多报废的电子产品可以被再次使用，修复或者再循环利用，由此获得了在保护和维护环境以及减少污染方面的明显益处。另一个优点可在很多情况下从回收具有高经济价值的材料中获得。

[0004] 由通过刚性层与塑料层交替构成的材料制成的电子系统的一个实例，也就是说，可能将根据本发明的方法应用到这种类型的电子系统，并且基于此近来已经更多关注于该电子系统的报废处理，该电子系统由光电模块代表。

[0005] 在结构层位，光电模块由借助于热层压方法连结在一起的若干层的夹层制成。

[0006] 每个模块的主要部件由光电元件表示，这些光电元件包含在由乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)制成的聚合物层内。

[0007] 所述夹层通过彼此相邻的多个层组成，即：一个后部防水聚合物涂层，其按照要求由乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或者聚氟乙烯(Tedlar)中之一制成；在乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)中实现的大约0.6mm厚的保护光电元件(所述刚性层)的一对层；以及大约3mm厚的钢化玻璃的刚性前部层，其用作也可接受光的保护表面。

[0008] 在它们大约20年到30年的使用寿命结束时，每个PV模块可经受特殊处理，允许进行对有害材料(通常金属)的安全处理，并且还允许回收一些包括该模块的元件，其中的一些具有高经济价值(硅和贵金属)的特征。

[0009] 关于报废再循环利用过程和无法移除的光电嵌板部分的处理的现有技术，正如已经提到的那样，包括回收在通过熔化过程粘结在一起的相邻层中发现的刚性材料层(电子级硅)和塑料元件(共聚物)。这包括一系列从工艺和工业视角和从过程产物视角两者来看不同的过程。

[0010] 用于再循环利用光电模块的这些方法中的一种，如在专利US6063995中进行描述那样，包括借助于烘焙法对构成光电模块的部件进行分离，在烘焙法中，升高光电模块的温度，以仅仅熔化了该模块的聚合物部件，而留下未改变的钢化玻璃和光电元件自身。

[0011] 尤其是，所述方法提供了从外部框架和端子块体中剥离下来的光电模块，以最初加热到接近100℃的温度，从而能够易于手动分离后部聚合物涂层。于是，随后将其置于电炉中，在电炉中，其在480℃与540℃之间的温度下经历烘焙过程。

[0012] 在光电模块的烘焙过程期间，为了实现惰性气氛，惰性气体(优选氮气)通过供给导管而被引入到烘箱中。

[0013] 光电模块的烘焙过程发生在介于480℃和540℃之间的温度下，并且持续降解EVA聚合物层所必需的一段时间。当两个EVA聚合物层达到熔化温度时，光电元件的物理分离与钢化玻璃一起在该点处发生，它们分解开并且搁置在包含于烘箱中的支撑件上。

[0014] 来自聚合物层的气态分解产物随后在后燃室内燃烧，从而产生了废产物，二氧化碳和水蒸气。

[0015] 所述过程允许完全回收钢化玻璃和光电元件。然后后者经受进一步处理，诸如烧结或酸侵蚀，以便回收银或者存在于该元件内的其他金属。

[0016] 另一种允许再循环利用光电模块的不同的已知方法在专利US6129779中有描述。它基于用于再循环利用和回收光电模块的金属组分的过程，这通过压碎光电模块自身并且随后在酸性溶液槽中溶解出金属来实现。由此获得的溶液然后与固体碎片分离并且通过沉淀剂进行处理，该沉淀剂则允许回收从光电模块所获得的金属。

[0017] 更特别的是，所述过程包括第一步骤，在第一步骤中，光电模块被压碎，以获得多个具有足够小尺寸以进行化学处理的碎片。由此获得的这些模块碎片被传送到容纳酸的容器，所述酸例如是硫酸、硝酸或者盐酸，它们能够溶解待回收的金属材料，从而将其与碎片的剩余部分分离开。在光电元件金属和酸之间的化学反应下，发生光电材料的溶解，随后形成了由与腐蚀性酸相结合的金属构成的液相和由非金属PV模块碎片所形成的固相。

[0018] 存在于溶液中的固相然后借助于过滤法而与液相分离，并且相反地，包含在固相中的非金属材料则借助于振动筛而与液相分离。

[0019] 最后，在该过程的最后阶段，进行从溶液中回收金属。一种用于分离出溶液内的部件的方法包括通过添加适当的化学沉淀剂而将溶液中的金属沉淀出。

[0020] 另一种再循环利用光电模块的已知过程在专利US5997718中有描述，其涉及借助于“湿法冶金”法从报废光电模块回收半导体金属的过程。

[0021] 在光电模块的机械破碎的情况下，光电元件或者任何其他光电废料经历沥滤过程，该沥滤过程借助于酸性溶液而用于从剩余的光电模块材料中去除全部金属。

[0022] 在化学处理之前，玻璃基板被移除，并且随后在光电模块的制造中进一步再利用，或者作为无危害废料在掩埋场处再循环利用或者处置。

[0023] 沥滤液随后通过将其与包含一定量钙的碱性化合物相混合而被中和，这导致形成了镉和碲的固体沉淀物。

[0024] 最后，固体沉淀物经过燃烧过程，随后被冷却和冲洗，从而回收了氧化镉(CdO)和氧化碲(TeO)。

[0025] 最后，另一种已知过程在专利DE102008058530A1中有描述，其涉及一种用于光电模块和光电源废料的再循环利用，尤其是薄膜的碲化镉和CIS太阳能电池。具体说，这个德国专利提供了关于一种用于将模块分解成它们组成元件以便易于在新模块制造中使用它们的方法的信息。

[0026] 该方法首先包括光电模块或者其部分借助于振动盘粉碎机而经历连续或者非连续的机械压碎过程，在光电模块中，聚合物层在结构上没有被损坏。

[0027] 由此获得这些碎片然后经历在15％盐酸溶液中室温下的化学浴处理，其中发生包含在碎片内的金属的完全溶解。这个阶段受到一定量包含在溶液内的过氧化氢(重量百分比35％)的影响，并且通过使用适当的磁性搅拌器而变得方便。

[0028] 最后，在金属溶解过程结束时，溶液被过滤，由此获得了玻璃和聚合物的回收。这些随后经历进一步的冲洗过程，由此决定性地回收了玻璃和EVA。

[0029] 在现有技术中描述的这些过程具有许多缺陷，诸如在热的光电模块回收过程的情况下，尽管使得光电元件和覆盖玻璃的完全回收成为可能，但是导致了高能量消耗。

[0030] 对于包括模块压碎和随后化学浴的再循环利用过程而言，这些过程同样并不允许回收较高增值的光电模块部件，并且在过程结束时产生于一系列碎片，将这些碎片再整合到生产周期中需要无论经济观点还是环境观点都昂贵的附加处理。

发明内容

[0031] 本专利的目的是通过提供一种允许回收包含在人工制品内的刚性材料的方法来解决现有技术的缺陷，该人工制品包括散布有具有热和弹性特性不同且刚性不同的材料的多个刚性材料层，具有如此高的增值，或者正如原来在工业性人工制品中存在的那样，使得机械和化学损坏最小化，因此需要进行随后的处理。

[0032] 另一个目的是缩减用于处理具有不同热和弹性特性的报废的多层材料的成本以及用于在将它们重新应用到当前使用的回收过程中的成本。

[0033] 另一个目的是提供一种方法，该方法允许几乎直接重新使用通过遵循相同过程所回收的部件和材料，因而延长了这些部件自身的使用年限，而不需要进行进一步处理。

[0034] 相比于在再循环利用领域中和/或在例如回收包含于光电模块中的硅元件过程中存在问题的这种回收系统中当前已知的方法，本发明的方法和目的涉及到一种更加可持续的工艺，因而具有较低的经济和环境影响。

[0035] 本处理方法的工作原理并不排除将其应用在不同应用范围内，只要存在包含通过将材料插入到具有不同程度的刚性和导热性的材料(例如塑料或者非晶)而连接的刚性材料(例如金属)的独立层，从而在没有改变几何结构或者机械性能的情况下使得化学和/或损坏处理最小化，并且利用了呈现不同膨胀性的材料的物理性能。

附图说明

[0036] 下面借助于所附附图进行描述根据本发明的用于涂覆有塑料材料的刚性的单体材料、多晶材料或者非晶材料的热机控制的低温分层过程，附图分别说明下列附图：

[0037] 图1是方法步骤的框图；

[0038] 图2是一般多层部件的剖视图；

[0039] 图3是光电模块的轴测投影分解图；

[0040] 图4是当光电模块经受低温冷却阶段时的轴测投影视图；

[0041] 图5是当光电模块待回收的材料层经受热和机械震荡阶段与此同时将相邻层保持在低温温度下时的轴测投影视图；

[0042] 图6是当光电模块经受液体混合物吹入以及随后这些层最终分层时的轴测投影分解图；

[0043] 图7是说明在整个低温过程期间温度随着时间变化的图表。

[0044] 图8是关于应力和机械变形、温度、由通过固有的第一共振频率和所施加相对作用力导致的振动而引起的变形随着时间而变化的图表。

具体实施方式

[0045] 根据本发明的热机控制的低温分层方法是基于以下工艺的：采用与刚性部件(在光电嵌板情况下单体、多晶或非晶)邻近的塑料材料不同的热膨胀性能以及采用不同延展性/脆性曲线，其可能伴随同步机械振动一起产生了同样受控的热机分层效果。

[0046] 并且，实际上，与由以第一固有共振频率振动所导致的机械作用相结合的适当温度转换管理是一种机理，该机理允许不同性质和特性的材料分离，从而在过程结束时回收了处于一种状态下的多层元件的组成部分，在所述状态下这些组成部分可在没有任何特殊处理的情况下再次使用，从而基本上获得了对该部件或者其零件的使用年限的延长。

[0047] 应用根据本发明的方法的实例是用于回收存在于光电模块内的电子级硅。

[0048] 因此，如图2和3中所图释的那样，每个光电模块A包括以下层：

[0049] 硅或者不同导体或半导体材料的层；

[0050] 一对乙烯乙烯基乙酸酯(Ethylene-vinyl-acetate)P的聚合物层；

[0051] 后部的聚合物防水涂层C1；

[0052] 前部的钢化玻璃层C2。

[0053] 如图1中所图释的那样，该方法包括以下步骤：

[0054] -以一段给定时间对待处理的所有部件层进行温度稳定和均化，以使得所有层通过将所述部件布置在已调节的环境(例如，气候室)中而达到相同的低温温度；在所描述的情况下，多层部件是光电模块A。

[0055] -当温度稳定时，接下来借助于低温冷却系统1对光电模块A并且尤其是对靠近半导体材料层M的层进行一段迅速或者特别迅速的冷却时期，所述低温冷却系统设置用于借助于流体压缩机或者提供了温度调节可能性的其他适当系统对冷载体的流速和压力进行连续控制，正如图4和7中所图释的那样。

[0056] -高冷却低温系统装备有允许对冷却条件(即，冷冻载体的温度和流速两者)进行实时控制的系统。

[0057] -正如图5、7和8中所图释的那样，第二阶段随后跟随着一个阶段，在该阶段中，在以受控的频率将热循环施加到半导体材料层M(金属的，硅)。这产生了处于低温温度下的层与处于较高温度下的半导体材料层M之间的温差。由此，由不同温度下的不同机械膨胀特性获得了益处，从而产生了光电模块A的各个层之间的不同切向应力；该应力被定义为“热力分层应力或者τT”。

[0058] -所述阶段通过选择性温度控制系统2来实现，从而在没有加温具有低导热性的邻近层P的情况下仅仅将热量提供给了半导体材料层M。该系统2可以是基于焦耳热量效应的接触性系统，焦耳热量效应是在光电嵌板的情况下由采用二极管的级联特性通过叠加大于内部电路内阻抗的电流所导致的，或者通过由不接触的直接照射或者任何其他等同系统所得到的辐射激励所导致的。此外，总是在光电模块A的冷却状态下以及半导体材料层M的同时加热下，可能恰好根据这些部件，施加整个元件或者多层组合的控制频率下的弯曲应力循环，以产生次要的机械剪切应力(在此定义为机械分层应力或者τM)，其介于半导体材料层M与邻近层P之间，其频率与热力循环同相，并且产生了总分层应力，该总分层应力各个效果是协作的。导致元件的振动的弯曲作用是通过适当的振动系统3实现的。

[0059] -下列阶段提供了通过外层与半导体材料层M之间的热分层应力和机械分层应力的整体效果所导致的受控分层，从而产生了相对的滑动作用，该相对的滑动作用由经受剪切作用力τTOT＝τT+τM的材料的不同膨胀τTOT平面掌控。

[0060] -在最后阶段，其目的是借助于系统4获得邻近层P从钢化玻璃C2的最终分层，在受控压力和流速下液体的混合物如图6所示那样被引入，从而允许将塑性部件与刚性部件最终分离。这是由于在结构性能方面的改变以及所述塑性材料(人工诱导老化机理)的键合而引起的。

[0061] 在吹入阶段结束时，该过程借助于适当的适于产生应力的机械系统继续进行一个或多个外层相对于半导体材料层M的机械分离，该应力是切向于且垂直于层平面，并且通过接触系统而引发它们，例如通过接触式按压系统5而引发它们，也就是说，通过借助于刚性停止系统进行机械切削，从而影响了外层的厚度。