在日益依赖电子科技类产品的时代，电子垃圾管理面临着慢慢的变大的挑战，2019 年全球产生的电子垃圾中的原材料价值约为 570 亿美元。然而，其中只有 17.4% 被成功回收，这凸显了一个重要的改进机会。预计到 2030 年，电子废弃物将增至 7 470 万吨，因此一定要采取可持续的解决方案。传统的回收方法往往有损材料的完整性，或不符合现代电子科技类产品的严格标准，这些不足凸显了对创新解决方案的迫切需求。这些解决方案不仅要着眼于利用电子废弃物中固有的可观价值，但这些价值在很大程度上尚未得到开发，而且还应该与生态友好型电子制造实践的必要性产生共鸣。
为了应对这一挑战，华盛顿大学Vikram Iyer教授与Aniruddh Vashisth教授提出了一种使用酯化玻璃体（vPCB）的印刷电路板配方，以及一种与标准制造ECO兼容的端到端制造工艺。本文的 从摇篮到摇篮 生命周期评估显示，与传统印刷电路板相比，vPCB 在 11 个类别中大幅度减少了对环境的影响。他们在 vPCB 上成功制造了传输 2.4 GHz 无线电信号的物联网设备功能原型，其电气和机械性能均合乎行业标准。vPCB 上的裂缝和孔洞可以修复，同时在多个修复周期内保持相当的性能。他们进一步展示了一种基于聚合物与小分子溶剂溶胀的非破坏性回收工艺。与传统的溶解回收不同，这种溶胀过程不会使材料降解。通过动态机械分析，发现催化剂的损失可忽略不计，储存模量的变化极小，并且在多个回收循环中聚合物骨架的组成相等。这种回收工艺可实现 98% 的聚合物回收率、100% 的纤维回收率和91% 的溶剂回收率，从而在不降低性能的情况下制造出新的 vPCB。总之，这项工作为电子行业的可持续发展转型铺平了道路。相关研究成果以题为“Recyclable vitrimer-based printed circuit boards for sustainable electronics”发表在最新一期《 Nature Sustainability》上。
本文一作是ZhihanZhang，是一名博士生二年级，本科三年毕业，硕士一年毕业。在读博之前，他在佐治亚理工学院攻读了定量与计算金融硕士学位，并以最高荣誉获得了计算机工程学士学位。他的研究成果已发表在顶级科学期刊（《自然-可持续性》、《自然-通讯》）和一流的计算机科学与工程会议（CHI、IMWUT）上，并获得了清洁能源研究所的奖学金。值得一提的是，Zhihan Zhang兴趣广泛，包括旅行、阅读和足球。当他在德克萨斯州一所高中做交换生时，被评为2018年高中足球赛季全市最佳中场球员；当他在中国上初中时，被选入2017年全省中学足球队。
Vitrimers是一类独特的聚合物，它将热固性塑料的坚固性与热塑性塑料的适应性相结合，以其在不损失机械强度的情况下进行形状转变、自我修复和回收的能力而脱颖而出。本文推进基于vitrimer的PCB（vPCB）概念，旨在大幅度提高PCB在现有制造生态系统中的可回收性和适应性。
该创新涉及玻璃纤维增强vitrimer(GFRV)复合材料，结合了vitrimer聚合物和玻璃纤维编织片。这一战略选择确保基于vitrimer的聚合物与传统PCB制造中使用的材料紧密匹配。GFRV达到了行业要求的基准，包括剥离强度和弯曲强度、吸湿性、介电常数和电阻率。该研究通过将铜层压到GFRV基板上来开发vPC，并针对潜在的大批量卷对卷生产进行了优化。vPCB与传统PCB制造技术兼容，包括用于电路图案化的化学蚀刻和激光结构化，并合乎行业标准（介电常数在典型的3.5–5.5范围内）和出色的阻燃性能。
为了证明vPCB的适用性，作者使用vPCB制造了一个功能原型物联网(IoT)传感器，能够监测温度、湿度和压力等环境条件。他们将vPCB与传统FR-4PCB一起部署在数据中心进行比较分析，根据结果得出vPCB与高频信号传输兼容，这对于物联网设备至关重要。信号完整性分析（包括眼图测量）证实vPCB在信噪比和时钟时序抖动方面与FR-4性能相匹配，从而验证了它们在各种计算应用中的潜力。
这项研究还展示了vPCB在修复和再制造方面的更大潜力，它利用了玻璃聚合物的动态共价键来有效愈合物理损伤，如断裂和孔洞。这种修复工艺在强度和耐久性方面都超过了传统的修复方法，不仅能修复，还能通过反复循环改善材料的性能，包括界面粘附性。玻璃纤维的形状记忆特性使vPCB能够在变形后恢复到原来的形状，并在多次修复循环后保持电气特性。通过直接修复或形状记忆工艺修复印刷电路板物理损伤的能力可在很大程度上减少对新印刷电路板的需求。这一进步有可能通过延长现有电子设备的常规使用的寿命来大幅度减少电子废物，从而促进更可持续的电子制造实践。
值得注意的是，这项工作有助于将报废PCB无损分解为优质原材料，从而推进vPCB的可持续闭环回收方法。所采用的技术实现了令人印象非常深刻的98%的玻璃体回收率和玻璃纤维的完全回收，通过多次回收迭代保持了材料的机械和化学性能。这种回收方法不仅保持了vitrimer改变和修复自身的能力，而且还保留了材料的防腐蚀特性，这对于PCB生产至关重要。
vPCB独特的愈合和回收能力降低了印刷电路板制造和处置过程中的环境足迹，表明向可持续和循环型电子科技类产品制造的转变前景广阔。生命周期评估证明了vPCB对环境影响的降低，与传统的印刷电路板相比，vPCB的全球变暖潜能值降低了20%，臭氧消耗潜能值降低了28%，化石消耗降低了14%，矿物和金属用量降低了26%。
本文报告了一种基于酯化玻璃体的可回收电路板，以及一种无损、基于膨胀的分离方法来回收它们。电路板无处不在，这为vPCB在消费设备、工业和医疗设施等领域的广泛应用提供了可能。作者对可回收印刷电路板配方进行了优化，使其电气和机械性能与传统印刷电路板相当，并与当前的EMSECO兼容，从而使vPCB几乎能替代FR-4。
净零排放和减少环境废物已成为一项全球使命。vPCB的可修复性和闭环回收性既能减少有毒副产品，又能改善一系列环境影响指标。作者证明了vPCB是第一先考虑可持续发展和环保意识的公司和行业的选择。此外，环氧树脂和催化剂的丰富性和广泛可用性为设计针对特定性能来优化的vPCB创造了机会。本文的印刷电路板膨胀方法还可用于其他复合材料和电路元件的自动拆卸，以提高集成电路在回收过程中的价值回收。
然而，仍有一些挑战需要克服，包括可修复性和功能性之间的潜在权衡，以及回收工艺的可扩展性。克服这些障碍可以充分的发挥vPCB在半导体工业、生物电子学、机器人和医疗设施等所有的领域的潜力。
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