Pesquisadores desenvolvem placa de circuito impresso que pode ser reciclada repetidas vezes, quase sem perda de material

Uma equipe liderada por pesquisadores da Universidade de Washington desenvolveu uma nova placa de circuito impresso (PCI), com desempenho equivalente ao dos materiais tradicionais e que pode ser reciclada repetidamente com perda insignificante de material. Os pesquisadores usaram um solvente que transforma um tipo de vitrímero – uma classe de polímero de ponta – em uma substância gelatinosa sem danos, permitindo que componentes sólidos sejam retirados para reutilização ou reciclagem.

As PCIs – que abrigam e interconectam chips, transistores e outros componentes – normalmente consistem em camadas de finas folhas de fibra de vidro revestidas com plástico rígido e laminadas com cobre. Esse plástico não pode ser facilmente separado do vidro, por isso as PCIs muitas vezes se acumulam em aterros sanitários, onde seus produtos químicos podem infiltrar-se no meio ambiente. Outras vezes são incineradas para extrair metais valiosos dos produtos eletrônicos, como ouro e cobre. Este processo, muitas vezes realizado em países em desenvolvimento, tem desperdício e pode ser tóxico, especialmente para aqueles que realizam o trabalho sem as devidas proteções.

O gel de vitrímero pode ser usado repetidamente para fazer PCIs novas e de alta qualidade, ao contrário dos plásticos convencionais que se degradam significativamente a cada reciclagem. Com essas “vPCIs” (placas de circuito impresso de vitrímero), os pesquisadores recuperaram 98% do vitrímero e 100% da fibra de vidro, além de 91% do solvente utilizado para reciclagem.

Os pesquisadores publicaram suas descobertas em 26 de abril, na Nature Sustainability.

“As PCIs constituem uma grande fração da massa e do volume do lixo eletrônico”, diz o coautor sênior Vikram Iyer, professor assistente da Universidade de Washington, na Escola Paul G. Allen de Ciência da Computação e Engenharia. “Elas são construídas para ser à prova de fogo e de produtos químicos, o que é ótimo para torná-las muito robustas. Mas isso também as torna basicamente impossíveis de reciclar. Aqui, criamos uma nova formulação de material que possui propriedades elétricas comparáveis ​​às das PCIs convencionais, bem como um processo para reciclá-las repetidamente.”

Os vitrímeros são uma classe de polímeros desenvolvida pela primeira vez em 2015. Quando expostos a certas condições, como calor acima de uma temperatura específica, suas moléculas podem se reorganizar e formar novas ligações. Isso os torna “recuperáveis” (uma PCI dobrada pode ser endireitada, por exemplo) e altamente recicláveis.

“No nível molecular, os polímeros são como o macarrão espaguete, que se enrola e é compactado”, diz o coautor sênior Aniruddh Vashisth, professor assistente da Universidade de Washington, no departamento de Engenharia Mecânica. “Mas os vitrímeros são distintos porque as moléculas que compõem cada macarrão podem se desvincular e religar. É quase como que se cada pedaço de espaguete fosse feito de pequenos Legos.”

O processo da equipe para criar a vPCI desviou-se apenas ligeiramente daqueles usados ​​para PCIs. Convencionalmente, as camadas de PCI semicuradas são mantidas em temperatura baixa e secas, onde têm uma vida útil limitada antes de serem laminadas em uma prensa térmica. Como os vitrímeros podem formar novas ligações, os pesquisadores laminaram camadas de vPCI totalmente curadas. Os pesquisadores descobriram que, para reciclar as vPCIs, poderiam mergulhar o material em um solvente orgânico com ponto de ebulição relativamente baixo. Isso fez inchar o plástico da vPCI sem danificar as folhas de vidro e os componentes eletrônicos, permitindo que os pesquisadores os extraíssem para reutilização.

Este processo permite vários caminhos para ciclos de vida circulares e mais sustentáveis de PCIs. Placas de circuito danificadas, como aquelas com rachaduras ou empenamentos, podem, em alguns casos, ser reparadas. Se não forem reparadas, podem ser separadas dos seus componentes eletrônicos. Esses componentes podem então ser reciclados ou reutilizados, enquanto o vitrímero e as fibras de vidro podem ser reciclados em novas vPCIs.

A equipe testou sua vPCI quanto à resistência e propriedades elétricas e descobriu que seu desempenho era comparável ao material de PCI mais comum (FR-4). Vashisth e o coautor Bichlien H. Nguyen, pesquisador principal da Microsoft Research e professor assistente afiliado da Allen School, estão agora usando inteligência artificial para explorar novas formulações de vitrímeros para diferentes aplicações.

A produção de vPCIs não implicaria grandes mudanças nos processos de fabricação.

“O bom é que muitas indústrias – como aeroespacial, automotiva e até eletrônica – já possuem processamento configurado para os tipos de epóxis de duas partes que usamos aqui”, diz o autor principal Zhihan Zhang, estudante de doutorado da Universidade de Washington, na Escola Allen.

A equipe analisou o impacto ambiental e descobriu que as vPCIs recicladas poderiam implicar uma redução de 48% no potencial de aquecimento global e uma redução de 81% nas emissões cancerígenas em comparação com os PCIs tradicionais. Embora este trabalho apresente uma solução tecnológica, a equipe observa que um obstáculo significativo para a reciclagem de vPCIs em escala seria a criação de sistemas e incentivos para coletar lixo eletrônico para que possa ser reciclado.

“Para uma implementação real destes sistemas, é necessária paridade de custos e fortes regulamentações governamentais em vigor”, diz Nguyen. “No futuro, precisamos projetar e otimizar materiais com métricas de sustentabilidade como primeiro princípio.” (texto: Franco Tanio/foto: divulgação)