联合国最近的一份报告发现，2022 年全球产生了 1370 亿磅电子垃圾，比 2010 年增加了 82%。然而，2022 年的电子垃圾中只有不到四分之一被回收利用。虽然许多因素阻碍了电子产品的可持续来世，但其中之一是我们没有大规模的系统来回收几乎所有电子设备中的印刷电路板 （PCB）。
PCB（容纳和互连芯片、晶体管和其他组件）通常由涂有硬塑料并与铜层压在一起的薄玻璃纤维板层组成。这种塑料不容易从玻璃中分离出来，因此多氯联苯经常堆积在垃圾填埋场，在那里它们的化学物质会渗入环境中。或者它们被烧毁以提取电子产品的贵重金属，如金和铜。这种焚烧通常在发展中国家进行，是浪费的，而且可能是有毒的——特别是对于那些在没有适当保护的情况下从事这项工作的人来说。
由华盛顿大学的研究人员领导的一个团队开发了一种新的PCB，其性能与传统材料相当，并且可以重复回收，材料损失可以忽略不计。研究人员使用了一种溶剂，该溶剂可以将一种玻璃体（一种尖端的可持续聚合物）转化为果冻状物质，而不会损坏它，从而可以将固体成分取出以供重复使用或回收。
然后，玻璃微聚体果冻可以反复用于制造新的高质量多氯联苯，这与传统塑料不同，传统塑料在每次回收时都会显着降解。通过这些“vPCB”（玻璃三聚体印刷电路板），研究人员回收了98%的玻璃三聚体和100%的玻璃纤维，以及91%用于回收的溶剂。
研究人员于4月26日在《自然可持续性》杂志上发表了他们的研究结果。
“PCB占电子废物质量和体积的很大一部分，”共同资深作者，Paul G. Allen计算机科学与工程学院的UW助理教授Vikram Iyer说。“它们的构造是防火和防化学腐蚀的，这使它们非常坚固。但这也使它们基本上无法回收。在这里，我们创造了一种新的材料配方，其电气性能可与传统PCB相媲美，并且具有可重复回收的工艺。
玻璃体是2015年首次开发的一类聚合物。当暴露于某些条件时，例如高于特定温度的热量，它们的分子可以重新排列并形成新的键。这使得它们既“可治愈”（例如，弯曲的PCB可以拉直）又高度可回收。
“在分子水平上，聚合物有点像意大利面条，包裹并被压实，”共同资深作者，威斯康星大学机械工程系助理教授Aniruddh Vashisth说。“但玻璃体是不同的，因为构成每根面条的分子可以断开和重新连接。这几乎就像每块意大利面都是由小乐高积木制成的。
该团队创建vPCB的过程与用于PCB的过程仅略有不同。 传统上，半固化的PCB层保持在阴凉干燥的条件下，在热压机层压之前，它们的保质期有限。由于玻璃体可以形成新的键，研究人员将完全固化的vPCB层叠在一起。研究人员发现，为了回收vPCB，他们可以将材料浸入沸点相对较低的有机溶剂中。这在不损坏玻璃板和电子元件的情况下膨胀了vPCB的塑料，让研究人员可以提取这些玻璃板和电子元件进行再利用。
该过程为实现更可持续的循环 PCB 生命周期提供了多种途径。损坏的电路板，例如有裂缝或翘曲的电路板，在某些情况下可以修复.如果不修理，可以将它们与电子元件分开。然后，这些组件可以回收或重复使用，而玻璃纤维和玻璃纤维可以回收到新的vPCB中。
该团队测试了其vPCB的强度和电气性能，发现其性能与最常见的PCB材料（FR-4）相当。Vashisth和合著者Bichlien H. Nguyen是Microsoft研究院的首席研究员，也是艾伦学院的附属助理教授，现在正在使用人工智能来探索用于不同用途的新玻璃体配方。
生产 vPCB 不会对制造工艺进行重大更改。
“好消息是，许多行业 – 例如航空航天，汽车甚至电子 – 已经为我们在这里使用的两部分环氧树脂进行了处理，”主要作者，威斯康星大学艾伦学院的博士生Zhihan Zhang说。
该团队分析了环境影响，发现与传统多氯联苯相比，回收的vPCB可以降低48%的全球变暖潜能值和81%的致癌排放。虽然这项工作提出了一种技术解决方案，但该团队指出，大规模回收vPCB的一个重大障碍是创建收集电子废物的系统和激励措施，以便对其进行回收。
“为了真正实施这些系统，需要有成本平价和强有力的政府法规，”Nguyen说。“展望未来，我们需要以可持续性指标为首要原则来设计和优化材料。”
其他合著者包括威斯康星大学机械工程系博士后学者Agni K. Biswal;安库什·南迪（Ankush Nandi），威斯康星大学机械工程系博士生;卡利·弗罗斯特（Kali Frost），Microsoft研究院的高级应用科学家;杰克·史密斯（Jake A. Smith），Microsoft研究院高级研究员，艾伦学院附属研究员;以及威斯康星大学艾伦学院和电气与计算机工程系的教授Shwetak Patel。这项研究由Microsoft气候研究计划、亚马逊研究奖和谷歌研究学者计划资助。Zhang得到了威斯康星大学清洁能源研究所研究生奖学金的支持。
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新闻旨在传播有益信息，英文版原文来自https://www.washington.edu/news/2024/04/26/recyclable-circuit-boards-vitrimer-pcb-e-waste/