Ein neuer Ansatz zur Entwicklung leicht recycelbarer Leiterplatten

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 22199 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Aufgrund der ständig wachsenden Menge an Elektronikschrott (Elektroschrott) weltweit ist das Problem der effektiven Entsorgung von Leiterplattenabfällen (WPCB), die umweltgefährdende, schwer zu recycelnde und wirtschaftlich wertvolle Produkte sind, zu einem großen Umweltproblem geworden Herausforderung. Herkömmliche WPCB-Recyclingtechniken weisen eine geringe Effizienz auf und erfordern eine anspruchsvolle Verarbeitung wie Wärmebehandlung und hohen Druck. In diesem Artikel wird ein neues Verbundmaterial für die Herstellung von Leiterplatten (PCB) vorgestellt, das problemlos in seine Originalkomponenten recycelt und wiederverwendet werden kann. Darüber hinaus können die wertvollsten PCB-Komponenten (elektronische Bauteile, die Edelmetalle enthalten) einfach von der Leiterplatte getrennt und wiederverwendet werden. Diese Studie zeigt den Nutzen der Verwendung biologisch abbaubarer Polymere als Bindemittel für PCBs im Hinblick auf ein umweltfreundliches und effizientes Recycling.

Der rasante Anstieg des Einsatzes von Elektronik in verschiedenen Geräten, sowohl für den Hausgebrauch als auch in elektronischen Geräten zur Überwachung verschiedener Prozesse, hat zu einem stetigen Anstieg der Leiterplattenproduktion geführt. Dies hat letztendlich zu einer zunehmenden Anzahl veralteter und unbrauchbarer Leiterplatten geführt1. Laut Statistik fallen weltweit jedes Jahr mehr als 50 Millionen Tonnen Elektroschrott an, und bis zu 10 % dieser Masse sind WPCB2.

Leiterplatten, die traditionell in der Elektronikindustrie verwendet werden, bestehen aus einer dielektrischen Verbundbasis, die als starrer mechanischer Rahmen fungiert. Elektrisch leitende Bahnen werden durch Ätzen von Kupferfolie hergestellt, die auf einer oder beiden Seiten der dielektrischen Basis gebildet wird. Die dielektrische Basis besteht aus mehreren Lagen Glasgewebe oder Papier, die mit duroplastischem Harz als Bindemittel imprägniert und anschließend in einer Heißpresse geformt werden3. Als Bindemittel werden derzeit hochgiftige Rohstoffe (Epoxid- und Phenol-Formaldehydharz und deren Mischungen; kombiniertes Epoxid-Silikonharz; kombiniertes Epoxid-Polyimidharz, Bismaleimidharze, Triazinharz usw.) verwendet. Diese Harze werden aus nicht erneuerbaren Quellen gewonnen. Darüber hinaus werden aus diesen Harzen hergestellte PCBs unter Umweltbedingungen nicht von Mikroorganismen abgebaut, was modernen Anforderungen an die Sicherheit chemischer Prozesse und Materialien widerspricht4.

WPCB, bestehend aus metallischen (~ 30 Gew.-%) und einem nichtmetallischen Anteil (~ 70 Gew.-%)5, sind die am schwierigsten zu recycelnden, gefährlichsten und wertvollsten Bestandteile von Elektronikschrott6. Trotz der vielfältigen Anwendungen von Leiterplatten, von Mobiltelefonen und Haushaltsgeräten bis hin zu Automobilen und Steuerungssystemen für Industrieprozesse, zeichnen sich WPCBs durch einen relativ hohen Gehalt an Edelmetallen Pd, Au, Pt, Ag und unedlen Metallen wie Cu, Fe, Ni, Zn, Sn, Pb. Darüber hinaus kann der Gehalt an Metallen selbst bei Produkten derselben Art (z. B. Mobiltelefonen) um mehr als das Zehnfache variieren7. Aus wirtschaftlicher Sicht ist die Verarbeitung von Edelmetallen sehr vielversprechend, da jede Tonne WPCBs durchschnittlich 130 kg Kupfer, 1,38 kg Silber, 0,35 kg Gold und 0,21 kg Palladium enthält, wobei Edelmetalle mehr ausmachen können mehr als 80 % des wirtschaftlichen Werts8.

Heutzutage zielt das WPCB-Recycling hauptsächlich auf die Rückgewinnung von Metallen mit hoher Wertschöpfung ab, während die nichtmetallische Fraktion normalerweise ohne weiteres Recycling deponiert oder verbrannt wird. Die nichtmetallische WPCB-Fraktion enthält giftige Harze und bromierte Flammschutzmittel9, bei denen es sich um äußerst gefährliche Verbindungen handelt, die die menschliche Gesundheit beeinträchtigen und Krebs verursachen10,11. Es ist erwähnenswert, dass giftige WPCB-Verbindungen von Mülldeponien leicht in das Grundwasser gelangen können, was zu einer langfristigen Kontamination großer Gebiete führt12. Die oben genannten Bedrohungen haben zu einer aktiven wissenschaftlichen Suche nach WPCB-Entsorgungs-13,14,15,16 und Recyclingmethoden17,18,19,20 geführt.

Derzeit regt die rasante Entwicklung bei der Synthese und Produktion neuer biologisch abbaubarer Polymere Wissenschaftler dazu an, neue Arten von Bindemitteln zu entwickeln, die aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden, die durch biotechnologische und chemische Prozesse hergestellt werden21. Insbesondere die Untersuchung biologisch abbaubarer Polymere stößt aufgrund ihrer immer vielfältigeren Anwendungen auf besonderes Interesse. Biologisch abbaubare Polymere werden häufig in Verpackungen und in der Medizin eingesetzt, und die Bereiche ihrer praktischen Anwendung nehmen erheblich zu22,23,24.

Polymere auf Basis von Polymilchsäure (PLA) und Copolymere von PLA mit anderen Hydroxycarbonsäuren sind thermoplastische Polymere mit mechanischen und elektrischen Eigenschaften, die denen duroplastischer Harze ähneln. Gleichzeitig können diese Materialien jedoch problemlos durch chemische und biotechnologische Prozesse zur Wiederverwendung recycelt werden25 .

In dieser Arbeit stellen wir einen neuen Ansatz zur Verwendung biologisch abbaubarer Polymere als Bindemittel für die Leiterplattenherstellung vor. Der Einsatz von biologisch abbaubaren und leicht recycelbaren Polymeren als Bindemittel für die Leiterplattenherstellung eröffnet neue Perspektiven sowohl für den Umweltschutz als auch für die Ressourcenschonung und zielt darauf ab, die Rückgewinnung wertvoller Materialien für deren Wiederverwendung zu maximieren.

Ein hochmolekulares polykristallines PLA (140 kg mol–1) mit einer optischen Reinheit über 99 % wurde von Luhua (China) bezogen. Die Glasübergangs- und Schmelzpunkte liegen bei 65 °C bzw. 180 °C. PLA wurde ohne zusätzliche Reinigung verwendet. Tetrahydrofuran (99,8 %), Aceton (99,5 %), Ethylacetat (99,8 %) und Eisen(III)-chlorid (97 %) wurden von Sigma Aldrich (USA) bezogen. Für die PCB-Herstellung wurden einfach gewebte Glasfasern für die PCB-Herstellung und 18-μm-Kupferfolien verwendet, die von CN-FT JOVI Technology and Trading Co., Ltd. (China) gekauft wurden.

Die Struktur des Verbundmaterials PCB wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop MIRA3 TESCAN (Brünn, Tschechische Republik) bei einer Beschleunigungsspannung von 3,0 kV untersucht.

FTIR-Spektren wurden im Frequenzbereich von 500 cm–1 bis 4000 cm–1 auf einem Thermo Nicolet iS10 FTIR-Spektrometer (Waltham, USA) aufgezeichnet.

Die DSC-Untersuchung der Glasübergangstemperatur von Verbundmaterialien wurde mit einem Simultaneous Thermal Analyzer (STA) 6000, Perkin Elmer (Waltham, MA, USA) durchgeführt. Die Proben wurden mit einer Geschwindigkeit von 10 °C/min von 25 auf 400 °C erhitzt. Die Tests wurden in einer Stickstoffatmosphäre mit einer Stickstoffflussrate von 60 ml min–1 durchgeführt.

Zugfestigkeitstests wurden auf der elektromechanischen Materialprüfmaschine Tinius Olsen H25KT (Redhill, Surrey, England) gemäß der Norm ASTM D638 durchgeführt. Bei den Proben handelte es sich um Platten mit einer Dicke von ca. 1,0 mm, einer Länge von 100 mm, einer Breite von 10 mm und einer Arbeitsbereichsbreite von ca. 3,0 mm. Der Test wurde bei einer Temperatur von 23 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50 % durchgeführt. Die Belastungsrate der Proben betrug 5 mm/min ± 1 %. Von jedem Material wurden mindestens sieben Proben getestet und die Durchschnittswerte berechnet. Die Zugfestigkeit wurde anhand der Gleichung bestimmt:

wobei Pmax die maximale Belastung vor dem Versagen der Probe ist, N. S0 = bh-an anfänglicher Querschnitt der Probe, mm2; b, h – die Breite des Arbeitsbereichs bzw. die Dicke der Probe, mm.

Die Biegefestigkeitstests wurden nach der Dreipunktmethode auf einer Computer Control Electronic Universal Testing Machine, WDW-3, HST (Jinan, China), gemäß der Norm ASTM D7264 durchgeführt. Die Proben waren rechteckige Platten mit einer Dicke von h = 1,0 mm, einer Breite von b = 10 mm und einer Länge von 100 mm. Der Test wurde bei 23 °C und 50 % relativer Luftfeuchtigkeit durchgeführt. Die Testmaschine lieferte eine gleichmäßige Geschwindigkeit der relativen Bewegung der Ladespitze und des Trägers. Der Fehler der Messung betrug ± 0,5 %. Das Lager und die Spitze konvergierten mit einer konstanten Geschwindigkeit von 5 mm/min. Die Proben wurden mit einer einzelnen Spitze belastet, wobei eine Kraft P in der Mitte der Probe zwischen den Stützen ausgeübt wurde. Von jedem Material wurden mindestens sieben Proben getestet und die Durchschnittswerte berechnet. Zur Berechnung der Biegefestigkeit wurde folgende Gleichung verwendet:

wobei σ – Spannung an der Außenfläche im Lastbereich, MPa; Pmax – maximale Belastung vor dem Probenversagen, N; L – Stützweite, mm; b – Breite des Balkens, mm; h – Dicke des Balkens, mm; v – Durchbiegungswert der Probe in der Mitte zwischen den Stützen, mm.

Die dielektrischen Eigenschaften von PCBs wurden mit einem digitalen LCR-Messgerät Aktakom AM-3001, T&M Atlantic (Miami, Florida, USA), bei 23 °C und unter normalen Bedingungen untersucht. Jedes Material wurde an fünf Proben getestet und die Durchschnittswerte berechnet.

Zur Herstellung der PCB-Laborproben wurde eine Thermotransferpresse der Schulze Blue Press X Pneu (Schulze GmbH, Deutschland) verwendet.

Zur Herstellung des Prepregs (zusammengesetztes PCB-Rückgrat) wurde PLA in Chloroform bei 75–80 °C und einem Molverhältnis von PLA zu Chloroform von 1:3 gelöst. Die Lösung wurde in einem Rückflusskühler unter ständiger Erwärmung und Rühren auf einem Magnetrührer bei 200 U/min hergestellt. Anschließend wurden 60 mm × 110 mm große Glasgewebeplatten in die erhaltene Lösung getaucht und 2 Stunden lang bei Raumtemperatur in einem Chemikalienschrank getrocknet. Die Dichte des erhaltenen Prepregs betrug 110–140 g/m2. Um eine Leiterplatte herzustellen, wurden 6 Prepreg-Blätter auf einer mit Teflon bedeckten Metallform gestapelt. Die Kupferfolie wurde auf die Unterseite und die Oberseite des Prepreg-Stapels gelegt. Anschließend wurde die Form mit einer Metallplatte (100 mm × 120 mm) verschlossen und ebenfalls mit Teflon abgedeckt, um ein Anhaften des Verbundmaterials an den Formen zu verhindern. Die Form wurde dann in eine Heißpresse gegeben und auf 195 °C erhitzt. Nachdem das Prepreg 5 Minuten lang erweicht war, wurde 1 Minute lang ein Druck von 0,2 MPa auf die Form ausgeübt. Die Form wurde aus der Presse entfernt und nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurde die doppelseitig metallisierte Leiterplatte mit einer Dicke von ~ 1,0 mm aus der Form entnommen (Abb. 1a).

PCB-Herstellung und Installation elektronischer Komponenten: (a) Im Labor hergestellte doppelseitige metallisierte PCB; (b) Leiterplatte mit leitenden Kupferbahnen; (c) Im Labor hergestelltes elektronisches Gerät.

Auf die resultierende Leiterplatte wurden mit einem speziellen Marker (Edding 780) Leiterbahnen aufgebracht. Die überschüssige Kupferfolie wurde 20 Minuten lang in Eisen(III)-chloridlösung (500 g/l) bei 50 °C geätzt. Nach dem Ätzvorgang wurden die Markierungsspuren gründlich mit Ethanol gereinigt und eine Leiterplatte mit leitfähigen Kupferbahnen erhalten (Abb. 1b). Anschließend wurden die elektronischen Komponenten (Chips, LEDs, Kondensatoren und Widerstände) mit der Rose-Legierung (Schmelzpunkt 95 °C) auf die Leiterplatte gelötet (Abb. 1c). Der Grund für die Wahl der Rose-Legierung war die Tatsache, dass sich die Kupferbahnen bei Löttemperaturen über 120 °C manchmal von der Verbundbasis ablösten.

An Leiterplatten, die in der Elektronikindustrie zum Einsatz kommen, gelten je nach Einsatzgebiet unterschiedliche Anforderungen. Die Liste der wichtigsten Eigenschaften einer dielektrischen Verbundleiterplattenbasis umfasst jedoch Parameter wie den spezifischen Volumenwiderstand, die Verlustfaktorwerte, die dielektrische Permittivität, die Glasübergangstemperatur, die Zugfestigkeit und die Biegefestigkeit. Um die elektrischen Eigenschaften der gängigsten kommerziellen Leiterplatten (FR2, FR4) und im Labor hergestellter PLA-Leiterplatten zu vergleichen, haben wir Vergleichsmessungen dieser Eigenschaften durchgeführt, die in Abb. 2 dargestellt sind.

Ergebnisse der Permittivitätsmessung von drei PCB-Platten: (a) elektrischer Volumenwiderstand, (b) die Verlustfaktorwerte, (c) dielektrische Permittivität, (d) Thermogravimetrie-Differential-Scanning-Kalorimetrie, (e) Zugfestigkeit und (f) Biegefestigkeit prüfen.

Ein kurzer Vergleich der wichtigsten dielektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften von PLA-PCB- und kommerziellen PCB-Proben ist in Tabelle 1 dargestellt.

Die Ergebnisse zeigen, dass die experimentellen Werte des Volumenwiderstands, der Verlustfaktorwerte, der dielektrischen Permittivität, der Glasübergangstemperatur, der Zugfestigkeit und der Biegefestigkeit von PLA-PCB im Allgemeinen denen der kommerziellen Proben FR2 und FR4 entsprechen. Der Volumenwiderstand bei 105 Hz von PLA-PCB ist höher als die FR2-Werte und niedriger als die FR4-Werte. Die Verlustfaktorwerte bei 105 Hz PLA-PCB sind niedriger als FR2 und fast gleich FR4. Die dielektrische Permittivität von PLA-PCB bei 105 Hz ist niedriger als die von kommerziellen PCBs. Die Glasübergangstemperatur von PLA-PCB liegt zwischen FR2 und FR4. Die Zugfestigkeit von PLA-PCB ist höher als die von FR2 und entspricht praktisch der Zugfestigkeit von FR4. Die Biegefestigkeit von PLA-PCB ist niedriger als die von FR4 und etwas niedriger als die von FR2, was unserer Meinung nach darauf zurückzuführen ist, dass FR4 die Anzahl der Glasfaserschichten über 8 beträgt, wohingegen PLA-PCB enthält nur 6 Schichten Glasfaser.

Die Wahl des Lösungsmittels wurde auf der Grundlage der Empfehlungen der Innovative Medicines Initiative (IMI)-CHEM2126,27 getroffen, die die Sicherheitsanalyse der in der Pharmaindustrie verwendeten Lösungsmittel zusammenfasste. Die Sicherheit von Lösungsmitteln wurde anhand der folgenden Kriterien bewertet: akute Toxizität und chronische Toxizität für den Menschen; Gefahr für die Umwelt; Siedepunkt und Flammpunkt. Basierend auf dieser Bewertung wurde in dieser Arbeit die Möglichkeit des Einsatzes von Aceton, Ethylacetat, Tetrahydrofuran und Chloroform zur PLA-PCB-Entsorgung getestet. Von dieser Reihe von Lösungsmitteln ist Chloroform das wirksamste. Aufgrund seiner stark krebserregenden Eigenschaften wurde Chloroform jedoch von der Liste der Lösungsmittel für die PLA-PCB-Entsorgung ausgeschlossen. Das schlechteste Lösungsmittel war Ethylacetat, das die Testproben unter Ultraschallbedingungen nicht löste. PLA-Proben wurden in Aceton innerhalb von 30 Minuten und in Tetrahydrofuran in weniger als 8 Minuten gelöst. Somit schien Tetrahydrofuran das effizienteste Lösungsmittel für die PLA-PCB-Entsorgung zu sein. Tetrahydrofuran wird nicht als „gefährliches“, sondern als „problematisches“ Lösungsmittel eingestuft. Gleichzeitig hat Tetrahydrofuran keine krebserzeugende Wirkung und ist für die Verwendung in der pharmazeutischen Industrie zur Herstellung von Medizinprodukten nicht verboten26,27. Da Tetrahydrofuran außerdem leicht aus PLA destilliert und wiederverwendet werden kann, wurde dieses Lösungsmittel in unseren Experimenten verwendet. Der Recyclingprozess für im Labor hergestellte PCB ist in Abb. 3 dargestellt. Für das Probenrecycling wurde die PLA-PCB (Abb. 3a) in einen Behälter mit Lösungsmittel Tetrahydrofuran gegeben und in ein Ultraschallbad gestellt. Diese Methode ermöglichte die vollständige Trennung des Bindemittels (PLA), der Kupferbahnen mit elektronischen Bauteilen und des Füllstoffs (Glasfaser) voneinander, ohne dass zusätzliche manuelle28, mechanische und thermische Prozesse29 erforderlich waren. Der Prozess des Recyclings elektronischer Geräte war in 30 Minuten vollständig abgeschlossen. Die PLA-Lösung in Tetrahydrofuran wurde in einem Rotationsverdampfer im Vakuum bei einer Wasserbadtemperatur von 40 °C zur Trockne eingedampft, was dazu führte, dass 98 Gew.-% des PLA zurückgewonnen wurden (Abb. 3e).

PCB-Recycling: (a) im Labor hergestellte PLA-PCB; (b) elektronische Komponenten; (c) Kupferschienen; (d) Glasfaser; (e) Polymilchsäure nach dem Recyclingprozess.

Nach dem Recycling verblieben nur noch Kupferbahnen (Abb. 3c) mit elektronischen Bauteilen (Abb. 3b) und Glasfaser (Abb. 3d) im Behälter. Abbildung 3 zeigt die elektronischen Komponenten, nachdem sie von den Kupferbahnen getrennt wurden.

Zuvor zeigte ein Artikel19 die Möglichkeit des PLA-PCB-Recyclings unter Extraktionsbedingungen in einer Soxhlet-Apparatur, in der Ethylacetat PLA auflöste und es vom Füllstoff und den Kupferbahnen trennte. Trotz der vielversprechenden Ergebnisse besteht der grundlegende Nachteil des Recyclings bei der Soxhlet-Extraktion in seiner Dauer und seinem Energieverbrauch. Im Gegensatz dazu ist das PLA-PCB-Recycling mit Ultraschallsanierung doppelt so schnell wie im Soxhlet-Gerät19 und energieeffizient. Es sollte auch beachtet werden, dass im Gegensatz zur Soxhlet-Extraktion bei der Ultraschallsanierung kein fließendes Wasser zur Kühlung erforderlich ist.

Bemerkenswert ist, dass sich die Markierungs- und Schutzbeschichtungen auf dem Mikrochip, den Widerständen oder den Kondensatoren nicht auflösten und ihre elektrischen Eigenschaften vollständig erhalten blieben (Abb. 3b), sodass teure elektronische Komponenten ihren gesamten Lebenszyklus überdauern konnten.

Tetrahydrofuran wurde nach dem PLA-PCB-Recyclingprozess durch Lösungsmitteldestillation an einem Rotationsverdampfer unter Vakuum im Wasserbad zurückgewonnen. Nach Lösungsmitteldestillation und Vakuumtrocknung wurde PLA extrahiert (Abb. 3e).

Um die vollständige Auflösung des PLA zu untersuchen, wurde die Glasfaseroberfläche mit einem Rasterelektronenmikroskop untersucht. REM-Bilder des Original-Glasfasergewebes und des Glasfasergewebes nach dem Recycling sind in Abb. 4 dargestellt. Nach dem Recycling löste sich das Bindemittel (PLA) vollständig auf und das Glasfasergewebe war intakt (Abb. 4b). Auch nach dreimaligem Recycling blieb die Glasfaser intakt (Abb. 4c), was auf eine hohe Wiederverwendungswahrscheinlichkeit hinweist, während bei herkömmlichen WPCB-Recyclingtechniken die Glasfaser durch thermische, mechanische und chemische Prozesse beschädigt wird und nur in Bausteinen wiederverwendet werden kann als verstärkender Füllstoff30.

REM-Bilder von Glasgeweben: (a) anfängliches Glasgewebe, das für die PLA-PCB-Herstellung verwendet wurde; (b) Glasgewebe nach einmaligem Recycling; (c) Glasgewebe nach dreifachem Recycling.

Um die Auswirkung des PLA-PCB-Recyclings und der anschließenden Extraktion auf die Struktur von PLA zu untersuchen, wurden FTIR-Spektren von primärem PLA und zurückgewonnenem PLA-PCB analysiert (Abb. 5). PLA zeigt charakteristische Streckungsfrequenzen für C=O, –CH3 asymmetrisch, –CH3 symmetrisch und C–O bei 1746, 2995, 2946 bzw. 1080 cm−1. Biegefrequenzen für –CH3 asymmetrisch und –CH3 symmetrisch wurden bei 1452 bzw. 1361 cm−1 identifiziert. Das nach dem einfachen (Abb. 5b) und dreifachen (Abb. 5c) Recycling von PLA-PCB gewonnene PLA zeigt die gleichen Absorptionspeaks wie das ursprüngliche PLA. Somit hat das Bindemittel (PLA) weder bei der Herstellung noch beim Recycling von PLA-PCB einen chemischen Abbau erfahren und kann für die PCB-Herstellung wiederverwendet werden.

FTIR-Spektren des PLA: (a) Anfänglich; (b) einmal und (c) dreimal aus recycelten PLA-PCB-Platinen wiederhergestellt.

Insgesamt sind nach dem Recyclingprozess der im Labor hergestellten PLA-Leiterplatte 95 % des Bindemittels (PLA), 100 % des Füllstoffs (Glasfaser), 100 % der elektronischen Komponenten und 100 % des Kupfers enthalten Die Leiter wurden zur Wiederverwendung zurückgewonnen. Nach durchschnittlichen Schätzungen werden weltweit jährlich mehr als 50 Millionen Tonnen Elektroschrott produziert, wobei WPCBs 3–10 Gew.-% dieser Masse ausmachen2. Betrachtet man den durchschnittlichen Cu-Gehalt in WPCBs, kann geschätzt werden, dass jährlich etwa 195.000 bis 650.000 Tonnen Kupfer recycelt oder deponiert werden. Im Falle eines 100-prozentigen Kupferrecyclings mit WPCBs würde der wirtschaftliche Effekt zwischen 1,6 und 5,38 Milliarden US-Dollar pro Jahr liegen.

Der Unterschied zwischen im Labor hergestellten PLA-Leiterplatten und derzeit im industriellen Maßstab hergestellten Leiterplatten (z. B. FR2 und FR431) besteht im Ersatz giftiger und schwer zu recycelnder Bindemittel auf Basis von Epoxid- und Phenol-Formaldehyd-Harzen durch ein umweltfreundliches ein und leicht recycelbares Bindemittel auf PLA-Basis. Die Kosten für das Bindemittel, das derzeit in der Industrie zur Herstellung kommerzieller Leiterplatten verwendet wird, schwanken zwischen 4,3 und 4,7 US-Dollar pro Kilo32. Die Kosten für PLA liegen ebenfalls zwischen 0,94 und 3,3 US-Dollar pro Kilo33. Daher liegen die Kosten der Bindemittel, die derzeit bei der Leiterplattenherstellung verwendet werden, und die Kosten für PLA in der gleichen Preisspanne und die Verwendung von PLA als Bindemittel für die Leiterplattenherstellung wird die Kosten des Endprodukts nicht erhöhen. Darüber hinaus bietet eine PLA-basierte Leiterplatte eine vollständige Rückgewinnung von Rohstoffen und Chemikalien nach dem Recyclingprozess, was mit herkömmlichen Leiterplatten derzeit nicht erreichbar ist34. Ein wichtiger Vorteil des vorgeschlagenen PLA-PCB besteht darin, dass das PLA-basierte Bindemittel biologisch abbaubar ist, ohne die Umwelt durch Zersetzungsprodukte zu verunreinigen, wenn es auf einer Mülldeponie landet1.

Daher haben wir ein neues Verfahren für die Herstellung und das Recycling von Leiterplatten vorgeschlagen, bei dem PLA als Bindemittel für ein effizientes und umweltfreundliches Recycling von WPCB verwendet wird. Die Neuheit der Methode besteht darin, die giftigen und schwer zu recycelnden duroplastischen Harze, die derzeit für die PCB-Produktion verwendet werden, durch PLA zu ersetzen, das biologisch abbaubar und leicht recycelbar ist. Die Studie ergab, dass PLA-PCB problemlos in seine Originalbestandteile recycelt werden kann. Letztendlich können nach dem Recycling der im Labor hergestellten PLA-Leiterplatte mehr als 95 % des Gewichts der Rohstoffe und 100 % des Gewichts der elektronischen Komponenten zur Wiederverwendung zurückgewonnen werden. Die PCB-Industrie basiert derzeit auf der Übernutzung nicht erneuerbarer Ressourcen und zeichnet sich durch ein geringes Recycling von WPCBs aus, was nicht den Grundsätzen einer nachhaltigen Wirtschaft entspricht und letztendlich den Endpreis erhöht. Unter diesem Gesichtspunkt kann sich die schrittweise Umstellung auf nachwachsende Rohstoffe bei der Herstellung kommerzieller Leiterplatten und die Implementierung von Prozessen für deren einfaches Recycling positiv auf die Schonung wertvoller, nicht erneuerbarer Ressourcen und die Möglichkeit ihrer Wiederverwendung auswirken. Die in diesem Artikel vorgeschlagene Umsetzung der Herstellung und des Recyclings von PLA-Leiterplatten könnte die Leiterplattenherstellungsindustrie der Einführung einer Kreislaufwirtschaft deutlich näher bringen.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

Elektroschrott

Leiterplatte

Leiterplattenabfall

Polymilchsäure

Rasterelektronenmikroskopie

Viertransformations-Infrarotspektroskopie

Dynamische Differenzkalorimetrie

Im Labor hergestelltes Verbundmaterial aus gewebtem Glasfasergewebe mit PLA-Binder

Industrielles Verbundmaterial aus Papier, imprägniert mit einem weichmacherhaltigen Phenol-Formaldehyd-Harz

Industrieller Verbundwerkstoff aus gewebtem Glasfasergewebe mit einem Epoxidharzbindemittel

Forti, V., Baldé, CP, Kuehr, R. & Bel, G. The Global E-waste Monitor 2020: Quantities, Flows and the Circular Economy Potential (Universität der Vereinten Nationen (UNU)/Institut der Vereinten Nationen für Ausbildung und Forschung ( Von UNITAR mitveranstaltetes SCYCLE-Programm, International Telecommunication Union & International Solid Waste Association, 2020).

Kaya, M. Recyclingtechnologien für Elektronikschrott und Leiterplatten. In der Reihe „Mineralien, Metalle und Materialien“ (Springer, 2019).

Google Scholar

Stevens, GC & Goosey, M. Materialien, die bei der Herstellung elektrischer und elektronischer Produkte verwendet werden. In Electronic Waste Management (Hrsg. Hester, E. & Harrison, RM) 33–35 (Royal Society of Chemistry, 2009).

Google Scholar

Anastas, PT & Warner, JC Green Chemistry: Theory and Practice (Oxford University Press, 1998).

Google Scholar

Rajagopal, R., Aravinda, L., Rajara, P., Bhat, B. & Sahajwalla, B. Aktivkohle aus nichtmetallischen Leiterplattenabfällen für Superkondensatoranwendungen. Elektrochim. Acta 211, 488–498 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, J. & Xu, Z. Entsorgung und Recycling von Leiterplattenabfällen: Trennung, Ressourcenrückgewinnung und Umweltschutz. Umgebung. Wissenschaft. Technol. 49, 721–733 (2015).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Sahan, M., Kucuker, MA, Demirel, B., Kuchta, K. & Hursthouse, A. Bestimmung des Metallgehalts von Mobiltelefonabfällen und Abschätzung ihres Verwertungspotenzials in der Türkei. Int. J. Umgebung. Res. Öffentliche Gesundheit 16, 887 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Hagelüken, C. Verbesserung der Metallrückführung und Ökoeffizienz beim Elektronikrecycling – Ein ganzheitlicher Ansatz zur Schnittstellenoptimierung zwischen Vorverarbeitung und integrierter Metallverhüttung und -veredelung. In Proceedings of the IEEE International Symposium on Electronics and the Environment, 218–223 (2006).

Kovačević, T. et al. Neue Verbundwerkstoffe auf Basis von PET-Abfällen und nichtmetallischen Fraktionen aus Leiterplattenabfällen: Mechanische und thermische Eigenschaften. Kompositionen. B. Eng. 127, 1–14 (2017).

Artikel Google Scholar

Wemken, N., Drage, DS, Abdallah, MA-E., Harrad, S. & Coggins, MA Konzentrationen bromierter Flammschutzmittel in der Raumluft und im Staub aus Irland weisen auf eine erhöhte Exposition gegenüber Decabromdiphenylethan hin. Umgebung. Wissenschaft. Technol. 53, 9826–9836 (2019).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Gómez, M. et al. Stabilisierung gefährlicher Verbindungen aus WEEE-Kunststoff: Entwicklung eines neuartigen Kern-Schale-Aggregats aus recyceltem Kunststoff zur Verwendung in Baumaterialien. Konstr. Bauen. Mater. 230, 116977 (2020).

Artikel Google Scholar

Ogunseitan, OA Das Basler Übereinkommen und Elektroschrott: Übersetzung wissenschaftlicher Unsicherheit in Schutzpolitik. Lancet Glob. Gesundheit 1, 313–314 (2013).

Artikel Google Scholar

Naqvi, SR et al. Eine kritische Überprüfung des Recyclings von kohlenstofffaser-/glasfaserverstärkten Verbundwerkstoffabfällen am Ende ihrer Lebensdauer mittels Pyrolyse im Hinblick auf eine Kreislaufwirtschaft. Ressource. Konserv. Recycling. 136, 118–129 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Yu, K., Shi, Q., Dunn, ML, Wang, T. & Qi, HJ Kohlenstofffaserverstärkter Duroplast-Verbundwerkstoff mit nahezu 100 % Recyclingfähigkeit. Adv. Funktion. Mater. 26, 6098–6106 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Hsu, E., Barmak, K., West, AC & Park, A.-HA Fortschritte bei der Behandlung und Verarbeitung von Elektronikschrott mit Nachhaltigkeit: Ein Überblick über Metallgewinnungs- und -rückgewinnungstechnologien. Grüne Chem. 21, 919–936 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Bharath, KN et al. Ein neuartiger Ansatz zur Entwicklung von Leiterplatten aus Verbundwerkstoffen auf Biofaserbasis. Polym. Kompositionen. 41, 4550–4558 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Genc, G., Sarikas, A., Kesen, U. & Aydin, S. Luffa/Epoxidharz-Verbundwerkstoffe: Elektrische Eigenschaften für PCB-Anwendungen. IEEE Trans. Compon. Paket. Hersteller Technol. 10, 933–940 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Chen, Z. et al. Effizientes und umweltfreundliches Recycling von Leiterplattenabfällen durch durch kleine Moleküle unterstützte Auflösung. Wissenschaft. Rep. 9, 17902 (2019).

Artikel ADS Google Scholar

Yedrissov, A., Khrustalev, D., Alekseev, A., Khrustaleva, A. & Vetrova, A. Neues Verbundmaterial für biologisch abbaubare Elektronik. Mater. Heute: Proc. 49, 2443–2448 (2022).

Google Scholar

Cucchiella, F., D'Adamo, I., Koh, SCL & Rosa, P. Recycling von WEEEs: Eine wirtschaftliche Bewertung aktueller und zukünftiger Elektroschrottströme. Erneuern. Aufrechterhalten. Energy Rev. 51, 263–272 (2015).

Artikel Google Scholar

Feig, VR, Tran, H. & Bao, Z. Biologisch abbaubare Polymermaterialien in abbaubaren elektronischen Geräten. ACS Cent. Wissenschaft. 4, 337–348 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Li, R., Wang, L. & Yin, L. Materialien und Geräte für biologisch abbaubare und weiche biomedizinische Elektronik. Materialien 11, 2108–2131 (2018).

Artikel ADS Google Scholar

Hwang, S.-W. et al. Biologisch abbaubare Elastomere und Silizium-Nanomembranen/Nanobänder für dehnbare, transiente Elektronik und Biosensoren. Nano Lett. 15, 2801–2808 (2015).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Kook, G. et al. Mehrschichtige Herstellung im Wafermaßstab für Mikroelektronik auf Seidenfibroinbasis. ACS-Appl. Mater. Schnittstellen 11, 115–124 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Rydz, J., Musioł, M., Zawidlak-Węgrzyńska, B. & Sikorska, W. Gegenwart und Zukunft biologisch abbaubarer Polymere für Lebensmittelverpackungsanwendungen. Im Handbook of Food Bioengineering (Hrsg. Grumezescu, AM & Holban, AM) 431–467 (Academic Press, 2018).

Google Scholar

Byrne, FP et al. Werkzeuge und Techniken zur Lösungsmittelauswahl: Leitfäden zur Auswahl umweltfreundlicher Lösungsmittel. Sustain Chem-Prozess. 4, 7 (2016).

Artikel ADS Google Scholar

Prat, D. et al. CHEM21-Auswahlleitfaden für klassische und weniger klassische Lösungsmittel. Grüne Chem. 8, 288–296 (2016).

Artikel Google Scholar

Copani, G. et al. Integrierte technologische Lösungen für das Zero-Waste-Recycling von Leiterplatten. In Factories of the Future (Hrsg. Tolio, T. et al.), 149–169 (Springer, 2019).

Kapitel Google Scholar

Kaya, M. Rückgewinnung von Metallen und Nichtmetallen aus Elektroschrott durch physikalische und chemische Recyclingverfahren. Abfallmanagement 57, 64–90 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Kovačević, T. et al. Auswirkungen oxidierter/behandelter nichtmetallischer Füllstoffe aus Leiterplattenabfällen auf die mechanischen Eigenschaften und die Schrumpfung von Verbundwerkstoffen auf Basis ungesättigter Polyester. Polym. Kompositionen. 40, 1170–1186 (2019).

Artikel Google Scholar

Sarvar, F., Poole, NJ & Witting, PA PCB-Glasfaserlaminate: Wärmeleitfähigkeitsmessungen und ihre Auswirkung auf die Simulation. J. Electron. Mater. 19, 1345–1350 (1990).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Warum steigen die Preise für Leiterplatten im Jahr 2021? https://www.pcbonline.com/blog/why-do-printed-Circuit-board-prices-go-up.html (2021).

Wellenreuther, C., Wolf, A. & Zander, N. Kostenwettbewerbsfähigkeit nachhaltiger Biokunststoff-Rohstoffe – Eine Monte-Carlo-Analyse für Polymilchsäure. Sauber. Ing. Technol. 6, 100411 (2022).

Artikel Google Scholar

Rocchetti, L., Amato, A. & Beolchini, F. Recycling von Leiterplatten: Eine Patentübersicht. J. Sauber. Prod. 178, 814–832 (2018).

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Diese Arbeit wurde vom öffentlichen Verein „Grüne Chemie“ unterstützt. Die Autoren danken Dr. Leonid Zinoviev (Universität Buketov) für seine Hilfe bei dielektrischen Messungen.

Medizinische Universität Karaganda, 100000, Karaganda, Kasachstan

Dmitriy Khrustalev, Anastassiya Khrustaleva und Marlen Mustafin

Karaganda Economic University of Kazpotrebsouz, 100000, Karaganda, Kasachstan

Arman Tirzhanov

Nasarbajew-Universität, 010000, Nur-Sultan, Kasachstan

Azamat Yedrissov

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D.Kh. und AY-Konzeptualisierung, D.Kh. Methodik, A.Kh., MM- und AT-Untersuchung, D.Kh. und AY-Schreiben – Originalentwurfsvorbereitung, AY-Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung, A.Kh., MM- und AT-Visualisierung, D.Kh. und AY-Projektverwaltung. Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Korrespondenz mit Arman Tirzhanov.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Khrustalev, D., Tirzhanov, A., Khrustaleva, A. et al. Ein neuer Ansatz zur Entwicklung leicht recycelbarer Leiterplatten. Sci Rep 12, 22199 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26677-y

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Eingegangen: 09. September 2022

Angenommen: 19. Dezember 2022

Veröffentlicht: 23. Dezember 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-26677-y

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Biomasseumwandlung und Bioraffinerie (2023)

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