新电路板可以被重复循环利用

2022年，联合国最近的一份报告发现全球电子废物产生了1370亿磅，比2010年增加了82%。然而，2022年的电子废物中只有不到四分之一得到了回收利用。其中一个阻碍电子产品可持续循环利用的原因是我们缺乏大规模回收印刷电路板（PCBs）的系统。

PCBs通常由薄玻璃纤维层涂覆硬塑料构成，并夹层与铜层粘合在一起。这种塑料很难与玻璃分离，因此PCBs经常堆积在垃圾填埋场中，其中的化学物质可能渗入环境。或者它们被燃烧以提取其中电子设备的金和铜等有价值的金属。这种燃烧通常在发展中国家进行，这种行为既浪费又具有毒性——尤其是对没有适当保护的从业人员来说。

华盛顿大学的研究人员领导的团队开发了一种新的PCB，其性能与传统材料相当，并且可以重复回收利用而几乎不损失材料。研究人员使用了一种溶剂，将一种类型的玻璃转变成一种类似果冻的物质，而不会损坏它，从而允许将固体组件取出以供再利用或回收。

玻璃转换后的果冻可以反复用于制造新的高质量PCB，而传统塑料则会随着每次回收而显著降解。通过这种“vPCBs”（玻璃转变印刷电路板），研究人员回收了98%的玻璃转变材料和100%的玻璃纤维，以及91%的用于回收的溶剂。

研究人员2021年4月26日在《自然可持续》杂志上发表了他们的发现。

“PCB在电子废物的重量和体积中占据了相当大的比例，”共同主要作者、华盛顿大学计算机科学和工程学院助理教授Vikram Iyer说道。“它们的设计使其具有防火和耐化学性能，这在使它们非常坚固的同时也使其基本上无法回收。在这里，我们创造了一种具有与传统PCB相当的电气性能的新材料配方，以及一种用于反复回收它们的工艺。”

玻璃转变材料是一种在2015年首次开发的聚合物类别。在特定条件下，例如高于特定温度的热，它们的分子可以重新排列并形成新的化学键。这使它们既具有“可愈合”（例如弯曲的PCB可以被拉直），又具有高度可回收性。

“从分子水平上看，聚合物有点像意面条，会缠绕并紧缩，”共同主要作者、华盛顿大学机械工程系助理教授Aniruddh Vashisth说道。“但玻璃转变材料是不同的，因为构成每根面条的分子可以解开并重新连接。这就好像每根意面条都是由小的乐高积木制成的一样。”

该团队制造vPCB的过程与制造PCB的过程只有略微不同。传统上，半固化的PCB层在干燥的条件下保存一段时间，然后才被放入热压机进行层压。由于玻璃转变材料可以形成新的化学键，研究人员将完全固化的vPCB层进行了层压。研究人员发现，要回收vPCB，他们可以将材料浸入沸点相对较低的有机溶剂中。这使vPCB的塑料膨胀，而不会损坏玻璃片和电子元件，从而让研究人员提取这些部分以供再利用。

这一过程为实现更可持续、循环的PCB生命周期提供了几种途径。受损的电路板，如裂纹或翘曲的电路板，在某些情况下可以修复。如果不能修复，它们可以与其电子元件分离。这些元件可以被回收或再利用，而玻璃转变材料和玻璃纤维可以被回收再用于制造新的vPCB。

该团队对vPCB的强度和电学性能进行了测试，并发现其性能与最常见的PCB材料（FR-4）相当。现在，Vashisth和合著者Bichlien H. Nguyen（微软研究的首席研究员，Allen School的兼职助理教授）正在利用人工智能探索用于不同用途的新玻璃转变材料配方。

生产vPCB不需要进行重大的制造工艺改变。

“好处是很多行业，如航空航天、汽车甚至电子行业，已经建立了我们在这里使用的两部分环氧树脂的加工流程，”华盛顿大学计算机科学和工程学院的博士生Zhihan Zhang说道。

该团队对环境影响进行了分析，并发现与传统PCB相比，回收的vPCB可以减少48%的全球变暖潜力和81%的致癌排放。虽然这项工作提出了技术解决方案，但该团队指出，在大规模回收vPCB方面的一个重要障碍是建立系统和激励措施，以便收集电子废物进行回收利用。

“要真正实施这些系统，需要成本平价和强有力的政府监管措施，”Nguyen表示。“未来，我们需要以可持续度量标准为首要原则来设计和优化材料。”