随着全球对环境退化的认识的增强,电子工业正在发生深刻的转变。 几十年来,该部门一直依赖资源密集型开采、能源匮乏制造以及产生惊人数量的电子废物的线性处置模式。 如今,监管压力、消费者需求和科学突破的趋同正在加速采用生态意识材料。 这些创新有望减少设备的碳足迹、消除有毒物质、建立封闭式循环系统,使组件能够无休止地循环或安全地回归自然。 本文探讨了电子产品可持续物质创新的最新发展和未来方向。

生态友好材料的最新发展

材料科学家正在重新思考电子产品的基本构件。 从海洋环境中降解的生物聚合物到废弃电路板回收的金属,可持续选择的调色板正在迅速扩大。 目标不仅仅是用一种材料代替另一种材料,而是设计与生物或技术周期的兼容性。

可生物降解的聚合物

生物降解聚合物通过微生物作用或水解分解而分解,为塑料废物的持续积累提供了一种解决办法。两个前置聚合物是多乳酸和多羟基烷酸酯。来自玉米淀粉或甘蔗的聚苯乙烯已经用于[]耳机和感应模块等一次性电子的包装[。由细菌发酵产生的聚苯乙烯具有更大的灵活性和海洋生物降解性,因此适合穿戴和医疗植入。

技术研究所的研究人员 Massachusetts技术研究所[开发了PHA的变体,可以印刷成灵活的电路底物,这些底物维持了设备寿命的电能完整性,但在堆肥条件下在几个月内消失,挑战在于在使用期间的耐久性与处置后迅速退化之间保持平衡,这种权衡继续推动合成创新。

再循环和可回收材料

电子制造商正在设计拆解装置,使用断裂关节和模块螺丝而不是粘合剂。 比如,费尔福尔系列包括完全可循环的铝框架[和100%循环的聚碳酸酯制成的塑料部件。

在金属方面,城市开采旧硬盘和电池中的稀土元素正在变得牵引力更大。 类似Apple等公司引入了闭锁式供应链,在许多逻辑板上使用100%的回收锡销售器,在磁盘发动机中则使用100%的回收稀土元素。 这些努力减少了对冲突矿物的依赖,并遏制了熔炼排放。

热聚塑料的生物替代品

印刷电路板(PCBs)中使用的传统热集塑料不能熔化再利用,来自胶原、纤维素和植物油的生物热集正在成为可循环利用的替代品,纸制造的副产品利金可以与天然纤维结合,形成硬质的阻燃底物,在]太平洋西北国家实验室的研究人员[证明一种与常规FR-4板相仿的、但可在生命末期被分解酶的基PCBBB, 恢复铜痕。

新出现的趋势和未来方向

除了渐进改进外,一些范式转变的趋势正在重新定义可持续电子产品可以是什么样子。 这些创新针对的是整个生命周期 — — 从材料来源和制造到使用阶段的能源效率和可回收性。

生物导体材料

电子电路依赖于铜、银和金矿开采和提炼等导金属,这些金属的环境成本很高。 研究人员正在开发替代或减少金属含量的生物导材料。一个有希望的途径是使用导电聚合物[,如PEDOT:PSS,这些聚合物可以从可再生原料加工,并打印到灵活的底物上。另一个途径是将纤维素纳米纤维与少量银或碳纳米管结合,在使用90%的材料的同时实现与大宗金属的导电率相当。

2023年,剑桥大学的一个团队创建了原型晶体管,半导体层来源于eumelanin[,一种天然色素在头发和皮肤中发现. Eumelanin可以进行质子而不是电子,使生物兼容和完全可降解的逻辑电路得以实现,尽管在实验室规模上,这种材料仍能为在医学或环境监测中使用后安全溶解的瞬态电子设备提供动力.

可再生来源的纳米材料

纳米技术能提供出色的性能改进,但传统的纳米材料往往依赖高能合成和有毒试剂。 新的研究浪潮侧重于从可再生生物前体中产生纳米粒子和纳米结构。 例如, 地层[ 碳单原子层]可以通过热解和脱脂从甘蔗渣或纤维素废物中合成,这种“绿色石墨”在使用生物质碳而不是开采的石墨的同时保留了原始石墨的电热特性。

同样,从木浆中提取的纤维素纳米晶体(CNCs)也作为金属纳米线的模板[]. CNCs引导铜或银沉淀成超薄,弹性导体,可以打印到纸张或生物塑料底物上,这些纳米线已经被评价用于透明的触摸屏和灵活显示,提供了氧化锡(ITO)的生物降解替代品.

绿色制造工艺

材料创新必须与清洁生产方法相结合。 传统的半导体制造使用大量的超纯水、积极的化学脱衣剂和高温炉。 新兴的绿色制造工艺包括:

  • 增加电子设备的制造(3D打印),使用导电墨和生物丝状物,与减法工艺相比,将物质废物减少90%。
  • 室温蒸馏[ 与液金属合金如 ⁇ - ⁇ ,消除了回流炉的能量成本.
  • 数字水基的液晶[,用水取代有机溶剂,并使用紫外线LED解析法,切割挥发性有机化合物(VOC)的排放.

主要芯片制造者宣布了到2030年碳中性泡沫目标,许多人目前正在审计与原材料提取有关的范围3排放的供应链[。

收养方面的挑战和障碍

尽管有这一承诺,但生态意识材料的扩大面临若干障碍。

业绩与可持续性的权衡

可生物降解聚合物的热稳定性和机械强度往往低于传统的塑料,对于智能手机或笔记本电脑中的高性能组件,这些材料可能还不能满足可靠性要求,制造商必须接受产量的罚单或投资昂贵的涂层技术,以保护生物底物在操作过程中免受水分的伤害.

再循环基础设施缺口

电子废物回收率在全球徘徊在17—20 % 左右,许多市政系统无法将生物技术与传统塑料分离,污染废物流。 投资自动化分类技术 — — 比如可以识别PLA和PET的近红外光谱学 — — 至关重要。

成本和供应链波动性

生物聚合物和再生金属目前比常规替代品的成本高20-50 % 。 在需求规模和生产过程成熟之前,价格敏感的消费电子产品将缓慢采用。 此外,再生稀土元素的供应取决于连续的收集量,这与新材料的市场价格波动。

未来展望

前进的道路包括系统层面。 欧盟的可持续产品编码监管等监管已经强制要求进行可修复性、可回收性和回收内容申报。 与此同时,像 循环电子伙伴关系 这样的跨行业联合体正在建立材料护照和数字产品识别码标准。

在今后十年里,我们可以期望看到:

  • 广泛采用生物可降解弹壳,用于IOT传感器,医疗补丁,单用途诊断工具等短寿命装置.
  • 关键金属的封闭-开放供应链[,制造商从返回的产品中回收和再利用钴、锂和稀土。
  • 绿色石墨和纤维素纳米材料进入商业生产,用于弹性显示器,天线,超电容器.

这些转变不仅将受到环境需要的驱动,而且还将受到经济机会的驱动:预计到2030年,可持续电子材料的全球市场将超过1 000亿美元。

结论

生态意识物质创新是电子工业从线性、采掘模型转变为循环、再生模型的关键部分。 生物降解聚合物、循环和生物替代物、绿色纳米材料以及清洁制造过程正在汇合,使电子更加简单、清洁和负责任。 尽管性能、成本和循环基础设施方面仍然存在挑战,但不可否认的势头。 随着研究的进展,我们可以期待更可持续、可循环和生物降解的选择成为标准,帮助保护我们的地球,造福子孙后代。