Пригодные для вторичной переработки печатные платы могут сократить количество электронных отходов

Печатная плата (PCB), изготовленная из материалов, которые можно повторно перерабатывать, может помочь облегчить растущую мировую проблему электронных отходов. Перерабатываемые печатные платы, описанные в статье, опубликованной 26 апреля в журнале Nature Sustainability, работают так же, как и обычные платы, но в отличие от обычных печатных плат их можно легко отремонтировать. Кроме того, материалы, используемые для изготовления перерабатываемых печатных плат, можно восстановить и использовать повторно.

По данным Организации Объединенных Наций, в 2022 году в мире было произведено 62 миллиона тонн электронных отходов, и мы находимся на пути к производству 82 миллионов тонн в 2030 году — рост более чем на 30 процентов. Химические вещества могут выщелачиваться из электронных отходов и загрязнять источники воды; Когда электронные отходы сжигаются для извлечения ценных материалов, таких как золото и медь, это приводит к загрязнению воздуха.

Обычные печатные платы, являющиеся подложками, на которых размещены компьютерные чипы и их соединения, лежат в основе этой экологической проблемы. Они состоят из стекловолокна, смешанного с пластиком, называемым термореактивным. Эти полимеры выглядят как стопка сваренных спагетти. Когда они нагреваются все точки пересечения полимеров друг с другом становятся химически связанными. Эти химические связи необратимы, поэтому обычные печатные платы не подлежат вторичной переработке. Их также невозможно быстро отремонтировать, если они треснут.

Теперь исследователи сделали пригодные для вторичной переработки печатные платы из другого типа полимера, называемого витримером. Инженеры-химики изучают эти прочные самовосстанавливающиеся материалы с 2010-х годов. Как и обычные термореактивные полимеры, витримеры химически соединяются в местах пересечения друг с другом при нагревании и могут смешиваться со стекловолокнами для получения прочных композитных материалов. Но поперечные связи витримеров обратимы, и при правильном обращении витримеры можно полностью восстановить и повторно использовать без каких-либо повреждений.

Бичлиен Нгуен, химик из Microsoft Research в Редмонде, штат Вашингтон.использует машинное обучение для разработки этих полимеров. Она работала с ученым-компьютерщиком Викрамом Айером и инженером-механиком Анируддх Вашистх из Вашингтонского университета над созданием витримеров, пригодных для переработки печатных плат.

Когда печатные платы, изготовленные из этих витримеров, обрабатываются подходящим растворителем, полимеры разъединяются, и материал становится гелеобразным. Тогда можно разделить компоненты, расположенные на печатной плате, включая микросхемы и другие электронные устройства, медь и стекловолокно. Волокна и витримеры затем можно использовать для изготовления новых печатных плат. Во время переработки можно восстановить 98 процентов витримера, используемого для изготовления печатных плат, а также все стекловолокна и 91 процент растворителя.

По словам Айера, печатные платы на основе витримера обладают электронными и механическими свойствами, сравнимыми с обычными печатными платами, и они совместимы с существующими производственными процессами. Команда разместила датчики окружающей среды на обычных и перерабатываемых печатных платах и ​​обнаружила, что они имеют сопоставимые характеристики при контроле температуры, влажности и давления. Айер говорит, что перерабатываемые подложки должны стать полноценной заменой, поскольку они совместимы с процессами травления и лазерной микрообработки, используемыми в современных печатных платах.

В настоящее время нет инфраструктуры для переработки печатных плат. «Это новая технологическая возможность», — говорит Айер, добавляя, что, делая печатные платы пригодными для вторичной переработки, это повышает ценность того, что исторически считалось мусором, что может способствовать цикличности цепочки поставок электроники.

Нгуен предполагает, что переработку печатных плат могут взять на вооружение крупные компании, такие как Apple, которая уже использует роботизированные системы для восстановления компонентов телефонов, возвращаемых потребителями, или Microsoft, у которой есть системы для восстановления некоторых материалов, используемых в электронике центров обработки данных. Она отмечает, что около 7 процентов когда-либо добытого золота находится в электронных отходах на свалках.

Другие исследователи ранее разработали пригодные для вторичной переработки печатные платы, в состав которых входят такие материалы, как бумага, однако эти печатные платы несовместимы с существующими производственными процессами. Женан Бао, инженер-химик из Стэнфордского университета, разрабатывающий самовосстанавливающуюся и биоразлагаемую электронику, говорит, что работа с витримером очень интересна. «Конечно, в настоящее время ПХД уже используются в коммерческих целях, и на подложку приходится большой процент отходов», — написала она в электронном письме. «Было бы желательно иметь возможность перерабатывать субстрат».

Команда также показала, что печатные платы на основе витримера можно отремонтировать. Когда обычные печатные платы трескаются, их часто приходится выбрасывать. Витримеры являются самовосстанавливающимися материалами. Повторное нагревание легко залатает любые дыры. Легко ремонтируемые печатные платы также могут открыть новые подходы к проектированию электроники, упрощая разработку модульных ноутбуков и другой бытовой электроники, которую можно модернизировать, а не выбрасывать и заменять, говорит Айер.

Источник: https://spectrum.ieee.org/electronic-waste-recycling-2668106144