Nove tiskane pločice mogu se više puta reciklirati

PCB-ovi koji sadrže i međusobno povezuju čipove, tranzistore i druge komponente, obično se sastoje od slojeva tankih ploča od staklenih vlakana presvučenih tvrdom plastikom i laminiranih zajedno s bakrom.

Ta se plastika ne može lako odvojiti od stakla, pa se PCB-ovi često gomilaju na odlagalištima otpada, gdje njihove kemikalije mogu prodrijeti u okoliš, ili ih spaljuju kako bi iz elektronike izvukli vrijedne metale poput zlata i bakra. Ovo spaljivanje, koje se često provodi u zemljama u razvoju, rasipno je i može biti otrovno, posebno za one koji posao obavljaju bez odgovarajuće zaštite.

Tim predvođen istraživačima sa Sveučilišta u Washingtonu razvio je novi PCB koji radi jednako kao i tradicionalni i može se više puta reciklirati uz zanemariv gubitak materijala. Istraživači su koristili otapalo koje transformira vrstu vitrimera, vrhunsku klasu održivih polimera, u tvar nalik želeu bez oštećenja, dopuštajući da se krute komponente izvade za ponovnu upotrebu ili recikliranje.

Vitrimer žele se zatim može više puta koristiti za izradu novih, visokokvalitetnih PCB-a, za razliku od konvencionalne plastike koja se značajno razgrađuje sa svakim recikliranjem. S ovim "vPCB" (vitrimer tiskanim pločama), istraživači su obnovili 98% vitrimera i 100% staklenih vlakana, kao i 91% otapala korištenog za recikliranje.

"PCB-ovi čine prilično veliki udio mase i volumena elektroničkog otpada", rekao je suautor istraživanja Vikram Iyer, docent na Fakultetu računalnih znanosti i inženjerstva Paul G. Allen. "Konstruirani su tako da budu otporni na vatru i kemikalije, što je sjajno u smislu da ih čini vrlo robusnim. Ali to ih u osnovi čini nemogućim za recikliranje. Ovdje smo stvorili novu formulaciju materijala koja ima električna svojstva usporediva s konvencionalnim PCB-ima, kao i postupak za njihovo ponovno recikliranje."

Vitrimeri su klasa polimera koji su prvi put razvijeni 2015. Kada su izloženi određenim uvjetima, kao što je toplina iznad određene temperature, njihove se molekule mogu preurediti i formirati nove veze. To ih čini i "iscjeljivima" (savijeni PCB može se primjerice ispraviti) i visoko reciklirajućim.

"Na molekularnoj razini, polimeri su poput rezanaca špageta, koji se omotaju i zbijaju", rekao je suautor Aniruddh Vashisth, docent na Sveučilištu Washington na odjelu za strojarstvo. "Ali vitrimeri su različiti jer se molekule koje čine svaki rezanac mogu odvojiti i ponovno povezati. Gotovo kao da je svaki komad špageta napravljen od malih Lego kockica."

Proces stvaranja vPCB-a samo je malo odstupao od onih koji se koriste za PCB-e. Uobičajeno, polustvrdnuti PCB slojevi se drže u hladnim i suhim uvjetima gdje imaju ograničen rok trajanja prije nego što se laminiraju u toplinskoj preši. Budući da vitrimeri mogu stvarati nove veze, istraživači su laminirali potpuno stvrdnute vPCB slojeve. Istraživači su otkrili da bi za recikliranje vPCB-a mogli uroniti materijal u organsko otapalo koje ima relativno nisku točku vrenja. Ovo je nabubrilo plastiku vPCB-a bez oštećenja staklenih ploča i elektroničkih komponenti, dopuštajući istraživačima da ih izvade za ponovnu upotrebu.

Oštećene ploče, s pukotinama ili iskrivljenjem, u nekim se slučajevima mogu popraviti. Ako se ne poprave, mogu se odvojiti od elektroničkih komponenti. Te se komponente zatim mogu reciklirati ili ponovno upotrijebiti, dok se vitrimer i staklena vlakna mogu reciklirati u nove vPCB-e.

Tim je testirao svoj vPCB na čvrstoću i električna svojstva, te je otkrio da je učinak usporediv s najčešćim PCB materijalom FR-4, koji predstavlja kompozitni materijal sastavljen od tkanine od stakloplastike s vezivom od epoksidne smole.

Vashisth i koautor Bichlien H. Nguyen, glavni istraživač u Microsoft Researchu i pridruženi docent na Allen School, sada koriste umjetnu inteligenciju za istraživanje novih formulacija vitrimera za različite namjene.

Tim je analizirao utjecaj na okoliš i otkrio da bi reciklirani vPCB-i mogli dovesti do smanjenja potencijala globalnog zatopljenja za 48% i smanjenja kancerogenih emisija za 81% u usporedbi s tradicionalnim PCB-ima.

Istraživanje objavljeno u časopisu Nature Sustainability možete pronaći na ovoj poveznici.