En färsk FN-rapport visar att världen genererade 137 miljarder kilo elektroniskt avfall 2022, en ökning med 82% från 2010. Ändå återvanns mindre än en fjärdedel av 2022 års e-avfall. Det finns många saker som hindrar ett hållbart liv för elektronik, men en av dem är att vi inte har några system i stor skala för att återvinna de kretskort som finns i nästan alla elektroniska enheter.
Kretskort – som innehåller och sammankopplar chips, transistorer och andra komponenter – består vanligtvis av lager av tunna glasfiberark som är belagda med hårdplast och laminerade med koppar. Plasten kan inte enkelt separeras från glaset, så kretskort hamnar ofta på soptippar där deras kemikalier kan läcka ut i miljön.
Eller så bränns de för att utvinna värdefulla metaller som guld och koppar ur elektroniken. Denna förbränning, som ofta utförs i utvecklingsländer, är slösaktig och kan vara giftig – särskilt för dem som utför arbetet utan ordentligt skydd.
Ett team lett av forskare vid University of Washington har utvecklat ett nytt kretskort som presterar i nivå med traditionella material och som kan återvinnas upprepade gånger med försumbar materialförlust. Forskarna använde ett lösningsmedel som omvandlar en typ av vitrimer – en banbrytande klass av hållbara polymerer – till en geléliknande substans utan att skada den, vilket gör att de fasta komponenterna kan plockas ut för återanvändning eller återvinning.
Vitrimergelén kan sedan användas upprepade gånger för att tillverka nya, högkvalitativa mönsterkort, till skillnad från konventionella plaster som försämras avsevärt vid varje återvinning. Med dessa ”vPCB” (kretskort av vitrimer) kunde forskarna återvinna 98% av vitrimern och 100% av glasfibern, samt 91% av det lösningsmedel som använts för återvinning.
Forskningen publiceras i tidskriften Nature Sustainability.
”Kretskort utgör en ganska stor del av massan och volymen av elektroniskt avfall”, säger Vikram Iyer, biträdande försteförfattare och biträdande professor vid Paul G. Allen School of Computer Science & Engineering vid UW.
”De är konstruerade för att vara brandsäkra och kemikaliesäkra, vilket är bra när det gäller att göra dem mycket robusta. Men det gör dem också i princip omöjliga att återvinna. Här har vi skapat en ny materialformulering som har elektriska egenskaper som är jämförbara med konventionella mönsterkort samt en process för att återvinna dem upprepade gånger.”
Vitrimers är en klass av polymerer som först utvecklades 2015. När de utsätts för vissa förhållanden, t.ex. värme över en viss temperatur, kan deras molekyler omorganiseras och bilda nya bindningar. Detta gör dem både ”läkningsbara” (ett böjt kretskort kan t.ex. rätas ut) och mycket återvinningsbara.
”På molekylär nivå är polymerer ungefär som spaghettinudlar, som lindas och komprimeras”, säger Aniruddh Vashisth, biträdande försteförfattare och biträdande professor vid UW:s avdelning för maskinteknik. ”Men vitrimers är distinkta eftersom molekylerna som utgör varje nudel kan lossa och länka igen. Det är nästan som om varje bit spaghetti är gjord av små legobitar.”
Teamets process för att skapa vPCB avvek endast något från de processer som används för PCB. Vanligtvis förvaras halvhärdade PCB-lager i svala, torra utrymmen där de har en begränsad hållbarhet innan de lamineras i en värmepress. Eftersom trimers kan bilda nya bindningar laminerade forskarna helt härdade PCB-skikt.
Forskarna upptäckte att de för att återvinna vPCB kunde sänka ner materialet i ett organiskt lösningsmedel som har en relativt låg kokpunkt. Detta svällde vPCB:s plast utan att skada glasskivorna och de elektroniska komponenterna, vilket gjorde att forskarna kunde extrahera dessa för återanvändning.
Den här processen möjliggör flera vägar till mer hållbara, cirkulära livscykler för kretskort. Skadade kretskort, t.ex. sådana med sprickor eller skevheter, kan i vissa fall repareras. Om de inte går att reparera kan de separeras från sina elektroniska komponenter. Dessa komponenter kan sedan återvinnas eller återanvändas, medan vitrimern och glasfibrerna kan återvinnas till nya vPCB.
Teamet testade sitt vPCB med avseende på styrka och elektriska egenskaper och fann att det presterade jämförbart med det vanligaste PCB-materialet (FR-4). Vashisth och medförfattaren Bichlien H. Nguyen, som är huvudforskare vid Microsoft Research och biträdande professor vid Allen School, använder nu artificiell intelligens för att utforska nya vitrimerformuleringar för olika användningsområden.
Att tillverka vPCB:er skulle inte innebära några större förändringar i tillverkningsprocesserna.
”Det fina är att många industrier – som flyg-, bil- och till och med elektronikindustrin – redan har processer för den typ av tvåkomponentsepoxi som vi använder här”, säger huvudförfattaren Zhihan Zhang, doktorand vid UW Allen School.
Teamet analyserade miljöpåverkan och fann att återvunna vPCB skulle kunna medföra en 48-procentig minskning av den globala uppvärmningspotentialen och en 81-procentig minskning av cancerframkallande utsläpp jämfört med traditionella PCB. Även om detta arbete presenterar en teknisk lösning konstaterar teamet att ett betydande hinder för att återvinna vPCB i stor skala skulle vara att skapa system och incitament för att samla in e-avfall så att det kan återvinnas.
”För att dessa system ska kunna implementeras på riktigt måste det finnas kostnadsparitet och starka statliga regleringar på plats”, säger Nguyen. ”Framöver måste vi designa och optimera material med hållbarhetsmått som första princip.”
Ytterligare information: Zhihan Zhang et al, Recyclable vitrimer-based printed circuit boards for sustainable electronics, Nature Sustainability (2024). DOI: 10.1038/s41893-024-01333-7
