Z niedawnego raportu Organizacji Narodów Zjednoczonych wynika, że w 2022 r. na świecie wygenerowano 137 miliardów funtów odpadów elektronicznych, co stanowi wzrost o 82% w porównaniu z 2010 r. Jednak mniej niż jedna czwarta elektroodpadów z 2022 r. została poddana recyklingowi. Chociaż wiele rzeczy utrudnia zrównoważone życie pozagrobowe elektroniki, jedną z nich jest to, że nie mamy systemów na dużą skalę umożliwiających recykling płytek drukowanych (PCB) znajdujących się w prawie wszystkich urządzeniach elektronicznych.
Płytki PCB – w których znajdują się i łączą ze sobą chipy, tranzystory i inne komponenty – zazwyczaj składają się z warstw cienkich arkuszy włókna szklanego pokrytych twardym tworzywem sztucznym i laminowanych razem miedzią. Tego plastiku nie można łatwo oddzielić od szkła, dlatego PCB często gromadzą się na wysypiskach śmieci, gdzie zawarte w nich chemikalia mogą przedostać się do środowiska. Lub są spalane w celu wydobycia cennych metali z elektroniki, takich jak złoto i miedź. To palenie, często podejmowane w krajach rozwijających się, jest marnotrawstwem i może być toksyczne – szczególnie dla osób wykonujących tę pracę bez odpowiedniej ochrony.
Zespół kierowany przez naukowców z Uniwersytetu Waszyngtońskiego opracował nową płytkę drukowaną, która działa na równi z tradycyjnymi materiałami i może być poddawana wielokrotnemu recyklingowi przy znikomych stratach materiałowych. Naukowcy wykorzystali rozpuszczalnik, który przekształca rodzaj witrimeru – najnowocześniejszą klasę zrównoważonych polimerów – w substancję galaretowatą, nie uszkadzając jej, co umożliwia wyrywanie stałych składników w celu ponownego użycia lub recyklingu.
Galaretkę witrimerową można następnie wielokrotnie wykorzystywać do produkcji nowych, wysokiej jakości płytek PCB, w przeciwieństwie do konwencjonalnych tworzyw sztucznych, które ulegają znacznej degradacji przy każdym recyklingu. Dzięki tym „vPCB” (witrimerowym płytkom drukowanym) badacze odzyskali 98% witrimeru i 100% włókna szklanego, a także 91% rozpuszczalnika użytego do recyklingu.
Naukowcy opublikowali swoje odkrycia 26 kwietnia w czasopiśmie Nature Sustainability.
„PCB stanowią dość duży ułamek masy i objętości odpadów elektronicznych” – powiedział współautor Vikram Iyer, adiunkt na UW w Szkole Informatyki i Inżynierii im. Paula G. Allena. „Są skonstruowane tak, aby były ognioodporne i odporne na chemikalia, co jest świetne, jeśli chodzi o ich wytrzymałość. Ale to także sprawia, że w zasadzie nie da się ich poddać recyklingowi. Tutaj stworzyliśmy nowy skład materiału, który ma właściwości elektryczne porównywalne z konwencjonalnymi PCB oraz proces ich wielokrotnego recyklingu.”
Witrimery to klasa polimerów opracowana po raz pierwszy w 2015 r. Pod wpływem pewnych warunków, takich jak ciepło powyżej określonej temperatury, ich cząsteczki mogą zmieniać układ i tworzyć nowe wiązania. Dzięki temu można je zarówno „naprawić” (na przykład wygiętą płytkę drukowaną można wyprostować), jak i w dużym stopniu nadają się do recyklingu.
„Na poziomie molekularnym polimery przypominają makaron spaghetti, który zawija się i zagęszcza” – powiedział współautor Aniruddh Vashisth, adiunkt UW na wydziale inżynierii mechanicznej. „Ale witrimery różnią się od siebie, ponieważ cząsteczki tworzące każdy makaron mogą się rozłączać i ponownie łączyć. To prawie tak, jakby każdy kawałek spaghetti był wykonany z małych klocków Lego”.
Proces tworzenia vPCB zastosowany przez zespół tylko nieznacznie różnił się od procesu stosowanego w przypadku płytek PCB. Tradycyjnie, półutwardzone warstwy PCB są przechowywane w chłodnych i suchych warunkach, gdzie mają ograniczony okres przydatności do spożycia, zanim zostaną laminowane w prasie termicznej. Ponieważ witrimery mogą tworzyć nowe wiązania, badacze laminowali w pełni utwardzone warstwy vPCB. Naukowcy odkryli, że w celu recyklingu vPCB można zanurzyć materiał w rozpuszczalniku organicznym o stosunkowo niskiej temperaturze wrzenia. Spowodowało to spęcznienie plastiku vPCB, nie uszkadzając tafli szkła i komponentów elektronicznych, umożliwiając naukowcom wyodrębnienie ich w celu ponownego użycia.
Proces ten pozwala na kilka ścieżek prowadzących do bardziej zrównoważonych cyklów życia PCB w obiegu zamkniętym. Uszkodzone płytki drukowane, takie jak pęknięcia lub wypaczenia, można w niektórych przypadkach naprawić. Jeśli nie zostaną naprawione, można je oddzielić od podzespołów elektronicznych. Elementy te można następnie poddać recyklingowi lub ponownie wykorzystać, a włókna witrimerowe i szklane można poddać recyklingowi w nowe płytki vPCB.
Zespół przetestował vPCB pod kątem wytrzymałości i właściwości elektrycznych i stwierdził, że działa ono porównywalnie z najpopularniejszym materiałem PCB (FR-4). Vashisth i współautor Bichlien H. Nguyen, główny badacz w Microsoft Research i adiunkt w szkole Allen, wykorzystują obecnie sztuczną inteligencję do badania nowych preparatów witrimeru do różnych zastosowań.
Produkcja płytek vPCB nie pociągałaby za sobą poważnych zmian w procesach produkcyjnych.
„Fajne jest to, że wiele branż – takich jak przemysł lotniczy, motoryzacyjny, a nawet elektroniczny – ma już skonfigurowane przetwarzanie dla tego rodzaju dwuskładnikowych epoksydów, których tutaj używamy” – powiedział główny autor Zhihan Zhang, doktorant UW uczennica szkoły Allen.
Zespół przeanalizował wpływ na środowisko i stwierdził, że poddane recyklingowi vPCB mogą skutkować zmniejszeniem potencjału globalnego ocieplenia o 48% i redukcją emisji substancji rakotwórczych o 81% w porównaniu z tradycyjnymi PCB. Chociaż praca ta przedstawia rozwiązanie technologiczne, zespół zauważa, że znaczącą przeszkodą w recyklingu vPCB na dużą skalę byłoby stworzenie systemów i zachęt do gromadzenia elektroodpadów w celu ich recyklingu.
„Aby rzeczywiste wdrożenie tych systemów wymagało parytetu kosztów i rygorystycznych przepisów rządowych”, powiedział Nguyen. „Idąc dalej, musimy projektować i optymalizować materiały, kierując się przede wszystkim wskaźnikami zrównoważonego rozwoju”.
Dodatkowymi współautorami są Agni K. Biswal, doktor habilitowany UW na wydziale budowy maszyn; Ankush Nandi, doktorantka UW na wydziale budowy maszyn; Kali Frost, starszy naukowiec stosowany w Microsoft Research; Jake A. Smith, starszy pracownik naukowy w Microsoft Research i pracownik naukowy w Allen School; oraz Shwetak Patel, profesor UW w Allen School na wydziale inżynierii elektrycznej i komputerowej. Badania te są finansowane przez inicjatywę Microsoft Climate Research Initiative, nagrodę Amazon Research Award i program Google Research Scholar. Zhang otrzymał wsparcie w ramach stypendium Instytutu Czystej Energii UW.