联合国最近的一份报告发现，2022 年全球将产生 1370 亿磅电子垃圾，比 2010 年增加 82%。然而，2022 年电子垃圾中只有不到四分之一被回收。 虽然许多因素阻碍了电子产品的可持续使用，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 容纳并互连芯片、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多层薄玻璃纤维板组成。 这种塑料不易与玻璃分离，因此多氯联苯经常堆积在垃圾填埋场，其中的化学物质可能会渗入环境中。 或者将它们焚烧以提取电子产品中的贵重金属，例如金和铜。 这种销毁通常在发展中国家进行，不仅浪费而且可能有毒——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。
由华盛顿大学研究人员领导的团队开发了一种新型 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，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进行再利用或回收。
然后，vitrimer 果冻可以重复用于制造新的高质量 PCB，这与每次回收后都会显着降解的传统塑料不同。 通过这些“vPCB”（vitrimer印刷电路板），研究人员回收了98%的vitrimer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。
“电子废物的质量和成交量中，多氯联苯占据了相当大的比例，”共同资深作者、华盛顿大学保罗·G·艾伦计算机科学与工程学院助理教授维克拉姆·艾耶 (Vikram Iyer) 说。 “它们的构造是防火和耐化学的，这使得它们非常坚固。但这也使得它们基本上不可能回收。在这里，我们创造了一种新的材料配方，其电气性能与传统材料相当PCB 以及重复回收它们的过程。”
Vitrimers 是一类于 2015 年首次开发的聚合物。当暴露于某些条件（例如高于特定温度的热量）时，它们的分子可以重新排列并形成新的键。 这使得它们既“可修复”（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，它会点评并被压实，”共同高级作者、华盛顿大学机械工程系助理教授 Aniruddh Vashisth 说。 “但 vitrimer 是不同的，因为组成每个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条都是由小乐高积木制成的。”
该团队创建 vPCB 的流程与用于 PCB 的流程仅略有不同。 传统上，半固化的 PCB 层在热压机层压之前被保存在凉爽、干燥的条件下，其保质期有限。 由于 vitrimers 可以形成新的键合，研究人员将完全固化的 vPCB 层进行层压。 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。 这使得 vPCB 的塑料膨胀，而不会损坏玻璃板和电子元件，使研究人员能够将它们提取出来以供重复使用。
这一过程为实现更可持续、循环的 PCB 生命周期提供了多种途径。 在某些情况下，损坏的电路板（例如有裂纹或变形的电路板）可以修复。 如果不进行修复，它们可能会与电子元件分离。 然后，这些组件可以回收或重复使用，而 vitrimer 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（微软研究院首席研究员、艾伦学院附属助理教授）现在正在利用人工智能探索用于不同用途的新 vitrimer 配方。
生产 vPCB 不需要对制造工艺进行重大改变。
“令人高兴的是，许多行业——例如航空航天、汽车甚至电子——已经为我们使用的两部分环氧树脂进行了加工，”主要作者、威斯康星大学博士ZhihanZhang说。艾伦学校的学生。
该团队分析了环境影响，发现与传统 PCB 相比，回收 vPCB 可以使全球变暖潜力降低 48%，致癌物排放量降低 81%。 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系统和激励措施来收集电子废物，以便进行回收。
“为了真正实施这些系统，需要成本平价和强有力的政府法规，”阮说。 “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； Ankush Nandi，威斯康星大学机械工程系博士生； Kali Frost，微软研究院高级应用科学家； Jake A. Smith，微软研究院高级研究员、艾伦学院附属研究员； 威塔克·帕特尔 (Shwetak Patel) 是威斯康星大学艾伦学院和电气与计算机工程系的教授。 这项研究由微软气候研究计划、亚马逊研究奖和谷歌研究学者计划资助。 张获得了华盛顿大学清洁能源研究所研究生奖学金的支持。
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