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  柔性印刷電路板（FPCBs）的可彎曲和可折疊的特性使其成為柔性便攜式電子產(chǎn)品和可穿戴設(shè)備中的主要組件。隨著電子產(chǎn)品消耗量的持續(xù)增長，大量電子廢棄物隨之產(chǎn)生。若處理不當(dāng)，廢棄FPCBs中的重金屬、電子元件和塑料基板將會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，并帶來資源浪費。針對上述問題的最佳方案是實現(xiàn)FPCBs的無害化處理，其中包括塑料基板的分解，金屬/電子元件的分離和回收，以及在不污染環(huán)境的情況下安全丟棄基板。傳統(tǒng)石油基塑料存在難以解聚溶解和自然降解的問題。因此，設(shè)計可循環(huán)利用與可降解的生物基塑料，使其在使役條件下展現(xiàn)較高的穩(wěn)定性，并在非使役條件下（特定溶劑）有效分解，對于制備能夠無害化處理的高性能FPCBs至關(guān)重要。然而，目前還缺乏一種簡便、環(huán)保、可量產(chǎn)的方法來制造這類生物基塑料。

圖1 用于可無害化處理的FPCBs的高穩(wěn)定性、可循環(huán)利用與可降解的可逆交聯(lián)水塑料。

  近期，吉林大學(xué)孫俊奇教授、李懿軒副教授團隊通過將甲基纖維素（MC）和單寧酸（TA）在水溶液中的復(fù)合，然后將得到的聚合物沉淀進(jìn)行熱壓，制備出了高環(huán)境穩(wěn)定性、可循環(huán)利用與可降解的可逆交聯(lián)水塑料（TA-MC），并用于制備高性能FPCBs（圖1和圖2a）。樹枝狀單寧酸可通過高密度氫鍵將甲基纖維素鏈段限制在原位形成的TA-MC納米限域相中（圖2b和2c）。一方面，TA-MC納米限域相具有致密、剛性和疏水性，可提升水塑性材料的力學(xué)性能與環(huán)境穩(wěn)定性；另一方面，氫鍵交聯(lián)的納米限域相可在特定條件下動態(tài)解離，促進(jìn)水塑料的解聚與降解。因此，由于動態(tài)納米限域相的存在，TA-MC水塑料在干燥狀態(tài)下的斷裂強度高達(dá)109.6 MPa，且在180 ℃下儲能模量可達(dá)2.85 GPa（圖3a和3b）。在室溫下浸泡入水中15天后，其具有40.4 MPa的斷裂強度，展現(xiàn)了優(yōu)異的耐水性。即使在80 ℃熱水中，TA-MC水塑料的斷裂強度仍然可達(dá)34.2 MPa（圖3e）。源于氫鍵交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)以及納米限域相的可逆性，TA-MC水塑料在吸水后，可以通過熱壓（80 ℃）的方式進(jìn)行多次加工與循環(huán)利用（圖4）。由于TA-MC水塑料優(yōu)異的力學(xué)性能和耐水性，由TA-MC基板和3D打印傳感元件組成的高性能FPCBs可作為電容式傳感器，用于水下探測（圖5）。該FPCBs展現(xiàn)了出色的靈敏度、可靠性和耐用性。更重要的是，通過將TA-MC基板溶解在無害的醫(yī)用酒精中，電子元件可以很容易地從FPCBs中分離出來（圖6）。同時，由于殘留的聚合物基板可以在土壤中降解成無毒物質(zhì)，其可以安全地丟棄而造成環(huán)境污染。

  TA-MC水塑料的制造是基于一種在純水中簡單且可量產(chǎn)的溶液復(fù)合的方法，無需額外的添加劑。同時，TA-MC水塑料仍表現(xiàn)出優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性，優(yōu)于最近報道的生物基塑料。通過設(shè)計構(gòu)筑在可逆交聯(lián)聚合物材料使役條件下具有優(yōu)異穩(wěn)定性，同時在非使役條件下（特定溶劑、自然環(huán)境）具有高解離效率的動態(tài)限域結(jié)構(gòu)，他們有效解決了材料穩(wěn)定性和可循環(huán)利用/降解性之間的矛盾。相信該研究可以激發(fā)可回收和可降解的FPCBs的設(shè)計新思路，為某些特定應(yīng)用場景，例如一次性或低成本傳感器和顯示器等提供可持續(xù)的解決方案。

圖2 TA-MC水塑料制備過程及動態(tài)納米限域結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 TA-MC水塑料的力學(xué)性能與環(huán)境穩(wěn)定性。

圖4 TA-MC水塑料可循環(huán)利用性與再加工性。

圖5 以TA-MC水塑料為基板的電容式傳感器應(yīng)用

圖6 基于TA-MC水塑料的FPCBs的無害化處理。

  以上研究成果近期以“Recyclable methylcellulose-based reversibly cross-linked hydroplastics with excellent environmental stability for use in flexible printed circuit boards capable of safe disposal ”為題發(fā)表在最新一期《Carbohydrate Polymers》上，論文的第一作者是在讀博士研究生王志奇，通訊作者是吉林大學(xué)超分子結(jié)構(gòu)與材料全國重點實驗室的李懿軒副教授。該研究得到了國家自然科學(xué)基金面上項目和吉林省自然科學(xué)基金面上項目的支持。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2025.123591