Недавний отчет Организации Объединенных Наций показал, что в 2022 году в мире было произведено 137 миллиардов фунтов электронных отходов, что на 82% больше, чем в 2010 году. Однако менее четверти электронных отходов 2022 года было переработано. Хотя многие вещи препятствуют устойчивой загробной жизни электроники, одна из них заключается в том, что у нас нет масштабных систем по переработке печатных плат (PCB), содержащихся почти во всех электронных устройствах.

Печатные платы, на которых размещены и соединяют между собой микросхемы, транзисторы и другие компоненты, обычно состоят из слоев тонких листов стекловолокна, покрытых твердым пластиком и ламинированных медью. Этот пластик нелегко отделить от стекла, поэтому ПХБ часто накапливаются на свалках, где их химические вещества могут просачиваться в окружающую среду.

Или их сжигают, чтобы извлечь из своей электроники ценные металлы, такие как золото и медь. Такое сжигание, часто проводимое в развивающихся странах, является расточительным и может быть токсичным, особенно для тех, кто выполняет работу без надлежащей защиты.

Команда под руководством исследователей из Вашингтонского университета разработала новую печатную плату, которая работает наравне с традиционными материалами и может быть повторно переработана с незначительными потерями материала. Исследователи использовали растворитель, который превращает тип витримера — передовой класс экологически чистых полимеров — в желеобразное вещество, не повреждая его, позволяя извлекать твердые компоненты для повторного использования или переработки.

Затем витримерное желе можно повторно использовать для изготовления новых высококачественных печатных плат, в отличие от обычных пластиков, которые значительно разлагаются при каждой переработке. С помощью этих «vPCB» (витримерных печатных плат ) исследователи извлекли 98% витримера и 100% стекловолокна, а также 91% растворителя, используемого для переработки.

Исследование опубликовано в журнале Nature Sustainability.

«ПХБ составляют довольно большую долю массы и объема электронных отходов», — сказал со-старший автор Викрам Айер, доцент Школы компьютерных наук и инженерии Пола Г. Аллена Университета Вашингтона.

«Они сконструированы так, чтобы быть огнестойкими и химически стойкими, что отлично подходит для того, чтобы сделать их очень прочными. Но это также делает их практически невозможными для переработки. Здесь мы создали новую формулу материала, которая имеет электрические свойства , сравнимые с обычными ПХД, а также процесс их повторной переработки».

Витримеры — это класс полимеров, впервые разработанный в 2015 году. При воздействии определенных условий, например, при нагревании выше определенной температуры, их молекулы могут перестраиваться и образовывать новые связи. Это делает их одновременно «восстанавливаемыми» (например, погнутую печатную плату можно выпрямить) и пригодными для вторичной переработки.

«На молекулярном уровне полимеры похожи на спагетти-лапшу, которую заворачивают и уплотняют», — говорит со-старший автор Анирудд Вашишт, доцент кафедры машиностроения Университета Вашингтона. «Но витримеры отличаются друг от друга, потому что молекулы, из которых состоит каждая лапша, могут разъединяться и пересоединяться. Это почти как каждый кусок спагетти состоит из маленьких лего».

Процесс создания vPCB командой лишь незначительно отличался от процессов, используемых для создания печатных плат. Обычно полуотвержденные слои печатной платы хранятся в прохладных и сухих условиях, где они имеют ограниченный срок хранения, прежде чем их ламинируют в термопрессе. Поскольку тримеры могут образовывать новые связи, исследователи ламинировали полностью отвержденные слои печатной платы.

Исследователи обнаружили, что для переработки vPCB можно погрузить материал в органический растворитель с относительно низкой температурой кипения. Это раздуло пластик vPCB, не повредив стеклянные листы и электронные компоненты, что позволило исследователям извлечь их для повторного использования.

Этот процесс открывает несколько путей к более устойчивому циклическому жизненному циклу печатных плат. Поврежденные печатные платы, например, с трещинами или деформациями, в некоторых случаях можно отремонтировать. Если их не ремонтировать, их можно отделить от электронных компонентов. Эти компоненты затем могут быть переработаны или использованы повторно, а витример и стекловолокна могут быть переработаны в новые виртуальные печатные платы.

Команда проверила свою vPCB на прочность и электрические свойства и обнаружила, что ее характеристики сопоставимы с наиболее распространенным материалом для печатных плат (FR-4). Вашишт и соавтор Бичлин Х. Нгуен, главный исследователь Microsoft Research и доцент Школы Аллена, теперь используют искусственный интеллект для изучения новых составов витримера для различных целей.

Производство vPCB не повлечет за собой серьезных изменений в производственных процессах.

«Приятно то, что во многих отраслях промышленности, таких как аэрокосмическая, автомобильная и даже электронная, уже есть оборудование для обработки двухкомпонентных эпоксидных смол, которые мы здесь используем», — сказал ведущий автор Чжихан Чжан, докторант Университета Вашингтона. в школе Аллена.

Команда проанализировала воздействие на окружающую среду и обнаружила, что переработанные vPCB могут привести к снижению потенциала глобального потепления на 48% и снижению канцерогенных выбросов на 81% по сравнению с традиционными PCB. Хотя эта работа представляет собой технологическое решение, команда отмечает, что существенным препятствием для масштабной переработки vPCB будет создание систем и стимулов для сбора электронных отходов, чтобы их можно было переработать.

«Для реального внедрения этих систем необходимо обеспечить паритет затрат и строгое государственное регулирование», — сказал Нгуен. «Двигаясь вперед, нам необходимо разрабатывать и оптимизировать материалы, ориентируясь на показатели устойчивости в качестве первого принципа».