科学家研发新型印刷电路板，实现超90%的原料回收率，预计成本和传统印刷电路板相似

桑曲 · 发表于: 2024-5-27 19:44:00

: DeepTech深科技

源自：DeepTech深科技

　　“00 后”章之涵，曾于 19 岁在美国佐治亚理工学院以最高荣誉获得本科学位。
　　如今，正在美国华盛顿大学计算机科学与工程学院读博的他和所在团队，又打造出一种可回收型印刷电路板，并提出一种能用于回收类玻璃化环氧树脂（Vitrimer）复合材料的无损膨胀分离方法，能实现超 90% 的原料回收率，相关论文发在Nature 子刊上。

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　　随着印刷电路板在电子行业的广泛应用，这项技术有望在消费设备、工业设备和医疗设备的制造中得到推广。
　　经过优化之后的可回收印刷电路板，具有与传统印刷电路板相匹配的电气性能和机械性能，不仅符合工业标准、而且耐化学蚀刻，能为回收电子计算机行业的聚合物材料和复合材料铺平道路。
　　据了解，Vitrimer 印刷电路板可以兼容目前印刷和制造电路的工业界标准加工工艺，有潜力快速普及并立即替代传统印刷电路板，预计其成本也和传统印刷电路板相似。
　　在 Vitrimer 印刷电路板的原材料上，课题组使用了现成的化学品，在原材料获取上较为方便。加工步骤也与传统环氧树脂等工业生产的材料大致相同，这表明 Vitrimer 印刷电路板在规模生产上具有一定的成本竞争潜力。
　　因此，该团队希望本次提出的技术和回收方法，能够帮助杜绝电子垃圾，助力于在循环生命周期中重新利用这些材料，减少今后所需的塑料数量。
　　另据悉，Vitrimer 是一大类材料。本次使用的 Vitrimer 由环氧化物、酸和催化剂组成。通过改变这些化学功能团，可以调整 Vitrimer 的特性，从而打造出来柔性 Vitrimer、以及耐高温 Vitrimer。
　　目前，该团队也正在开发 AI 工具，以便预测新合成的 Vitrimer 材料的性能，从而更好地针对目标应用来定制合成的原材料。

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　　（源自：Nature Sustainability）

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　　为什么焚烧并不可取？
　　如今，人类已将计算设备融入各个方面，比如正在阅读这篇文章的你就正在使用手机或电脑。
　　计算设备给人类带来了便捷，但是假如回收环节处理不当就会给地球带来负担。
　　如今，人类每年产生近亿吨的电子垃圾（e-waste），是全球增长最快的垃圾流之一。
　　作为一名研究普适计算的从业者，该团队希望创造更多的计算设备，以用于尚未被探索的应用场景，包括用于各种可穿戴设备和环境自然传感等。
　　印刷电路板（PCB，Printed Circuit Boards），存在于目前所有计算设备之中，也是电子废物的主要构成部分之一。
　　印刷电路板，是一种由芯片、晶体管和其他电子元器件互连的物理基板，通常由几层玻璃纤维和塑料和铜箔层压而成。
　　印刷电路板往往被设计得具备防火性和防化学腐蚀性，这使它们非常坚固耐用，但也基本上无法被回收利用。
　　由于印刷电路板中的塑料无法从玻璃纤维中分离出来，因此废弃的印刷电路板通常堆积在垃圾填埋场，它里面的化学物质会渗入环境中进而污染大自然。
　　发达国家通常将这些垃圾出口到发展中国家，有时发展中国家的人们会通过焚烧的方式，来提取电子产品中的贵重金属比如金和铜来牟利。
　　这一过程不仅会造成浪费又含有毒性，特别是在焚烧印刷电路板的过程中，大部分工人没有任何保护措施。

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　　（源自：Nature Sustainability）

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　　既兼容传统工艺，又能良好回收
　　2022年，章之涵来到华盛顿大学读博。当时，他所在团队的合作者，正在开发新型可回收聚合物（Vitrimer），并已将其用于航空航天复合材料。
　　章之涵所在团队意识到他们正在开发的 Vitrimer 材料是创建可回收印刷电路板的理想解决方案。
　　在这种方案的指导之下，还有望创造出具有类似工业界行业标准性能的可回收印刷电路板，从而取代传统印刷电路板。
　　那么，为什么课题组注意到了 Vitrimer？因为，传统印刷电路板是不可回收的，原因在于传统印刷电路板使用了热固性塑料，这是一种类似于环氧树脂的材料。
　　一旦材料固化之后，环氧树脂分子就会形成强而密集的交联键，几乎不可能在不破坏化学链的情况下分解它。
　　而 Vitrimer 在特定外界刺激下具有独特的特性，分子可以移动并形成新的键，这使得材料可以修复机械损伤。
　　更重要的是，它带来了回收材料并制作高质量二次原材料的机会。
　　使用 Vitrimer 只是解决可回收电路版的第一步。因此，印刷电路板并不只是一层单一的材料，而是一种复合材料，由几层玻璃纤维与聚合物层压在一起组成。
　　所以，为了有效回收包括玻璃纤维和聚合物在内的原材料，必须设计一种能将聚合物与玻璃纤维分离、但却不会破坏它们的方法。
　　传统回收方法往往采取燃烧法或化学溶解法，章之涵等人则将电路板浸入小分子溶剂中使其膨胀，就像将明胶粉浸入水中它会膨胀变成果冻一样。
　　这样一来，Vitrimer 会和玻璃纤维发生分离。由于溶剂在此处并没有和 Vitrimer 发生化学反应，因此也可以重复地使用溶剂。
　　一旦从玻璃纤维中分离 Vitrimer，不仅可以回收玻璃纤维，还可以利用 Vitrimer 固有的可回收性，用来制造新的印刷电路板。
　　由于这一研究方向结合了绿色材料、器件、嵌入式系统、人机交互和应用机器学习。
　　因此，章之涵需要与不同系、不同组的学者合作。在本次项目之中，他发现很多基础学科的研究者，不太接受“基于现实问题找解”的研究方式。
　　后者觉得基础科学的创新才是真正的科研，而章之涵所做的似乎更像是系统工程问题，并不是真正的科学。
　　“后来，我意识到与其说服他们接受‘从实际问题出发，反推路径和方法，再回归工业界验证方案可行性’的研究思路，不如向他们请教关于材料领域的知识，和他们一起进化学实验室合成制造材料。”章之涵说。
　　大约半年之后，他发现自己的热情逐渐感染了合作者们，他们也开始为本次项目投入更多精力和思考。

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　　（源自：Nature Sustainability）

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　　与微软研究院联合开展生命周期评估
　　此外，本次研究之中课题组还和微软研究院合作，进行了生命周期评估。
　　通过此，他们证明本次提出的 Vitrimer 印刷电路板与传统的印刷电路板相比，对环境更加有益。

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　　（源自：章之涵）
　　章之涵是第一作者，维克拉姆·艾尔（Vikram Iyer）教授担任通讯作者。

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　　1.Zhang，Z.，Biswal，A.K.，Nandi，A.et al.Recyclable Vitrimer-based printed circuit boards for sustainable electronics.Nat Sustain7，616–627（2024）. https://doi.org/10.1038/s41893-024-01333-7
　　2.Zhang，Z.，Hhnlein，F.，Mei，Y.，Englhardt，Z.，Patel，S.，Schulz，A.，& Iyer，V.（2024）.DeltaLCA：Comparative Life-Cycle Assessment for Electronics Design.Proceedings of the ACM on Interactive，Mobile，Wearable and Ubiquitous Technologies，8（1），1-29。
　　3. https://homes.cs.washington.edu/~zzhihan
　　运营/排版：何晨龙

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