综述：可持续、阻燃和可生物降解的聚乳酸（PLA）羊毛纤维增强印刷电路板：加工与制造技术综述

《Results in Engineering》：Sustainable, flame-retarded and biodegradable printed circuit boards based on Polylactic Acid (PLA) with wool-fibre reinforcement: review of processing and manufacturing technologies

本综述系统探讨了以聚乳酸（PLA）为基材、羊毛纤维增强的可持续印刷电路板（PCB）的前沿进展。文章聚焦于PLA的加工技术（如挤出、注塑、3D打印）、生态友好型阻燃剂（如PPDF）的开发、羊毛纤维的增强效应及其界面改性策略，并详细评述了在PLA基板上制造电路图形的多种方法（如喷墨打印、激光烧蚀）及电子组装工艺（如低温焊接）。旨在为未来绿色电子器件的设计提供材料选择、工艺优化及可靠性评估的全面参考，推动生物可降解PCB从实验室走向实际应用。

　　

可持续、阻燃和可生物降解的聚乳酸（PLA）羊毛纤维增强印刷电路板：加工与制造技术综述

摘要

在生物聚合物应用日益增长的背景下，聚乳酸（PLA）作为一种可生物降解的材料，在电子、包装和生物医学领域作为石油基塑料的替代品受到了广泛关注。由于其作为传统印刷电路板（PCB）基材的绿色环保替代品的巨大潜力，以及在许多原型应用中令人满意的可靠性，PLA在设计面向未来且可持续的电子设备替代材料路线中达到了最重要的阶段。本研究旨在通过叙述性和范围性综述，调查PLA的典型特性，并总结将其转化为印刷电路基板的加工和制造技术。

1. 引言

1.1. PLA的特性

PLA（聚乳酸）具有良好的机械性能、低导热性和优异的生物相容性。然而，它也存在局限性，包括相对较低的耐热性和易脆化倾向。其密度较低（1.25 g/cm³），使其轻质且适用于PCB生产。它是一种刚性材料，有助于保持PCB的形状和结构，其拉伸强度足以用作PCB基材。然而，PLA的热变形温度相对较低，电导率也落后于传统材料，这在电磁干扰敏感的应用中会影响电路性能。

1.2. 机械和热性能

加工方法显著影响PLA基板的机械和热性能。例如，由于更好的分子排列，注塑成型的PLA通常比挤出和3D打印的样品表现出更高的拉伸强度。PLA基板的玻璃化转变温度（T_g）和熔融温度（T_m）在考虑其高温环境应用时至关重要。

1.3. PLA基板的应用

作为印刷电路板（PCB）的基材材料，PLA基板在电子研究中获得了广泛体现，尽管其性能和适用性可能受到热稳定性和导电性的限制。由于其生物可降解性，PLA也用于食品包装和其他一次性应用。此外，其生物相容性允许PLA基板作为组织工程中的支架、药物输送系统和可植入设备。

1.4. 电子领域的可持续性考量

使用PLA基板是传统塑料的一种环保替代方案。PLA的生物可降解性有助于减少塑料废物。然而，PLA生产的可持续性取决于原材料的来源和加工中使用的能源。

2. PLA的生态友好型阻燃剂

2.1. 引言

聚合物材料因其重量轻、易于加工、性能多样等优点而得到广泛应用。然而，大多数聚合物材料在高温或明火下比无机和金属材料更容易燃烧。因此，提高阻燃性对于降低火灾风险、拯救生命和财产至关重要。

2.2. 聚合物材料的火灾场景

聚合物的燃烧始于将其加热到相对较高的温度，在此温度下它们分解并产生气态燃料，这些燃料从固相扩散到气相（主要是空气中）。与氧气混合后，火开始燃烧。

2.3. 阻燃聚合物材料的一般方法

中断燃烧循环的三个必要条件（燃料、热量、氧气）中的至少一个可以增强聚合物材料的阻燃性。目前，有许多不同的阻燃技术可用于聚合物材料。

2.4. PLA阻燃剂的最新进展

由于其优异的阻燃性，含卤素阻燃剂的PLA被生产并用于各种应用，如运输和电子领域，以克服其固有的易燃性。然而，含卤素阻燃剂的PLA在燃烧和回收过程中会释放高毒性和令人窒息的烟雾。在欧盟，这些阻燃剂PLA的使用受到限制甚至禁止。

2.5. 高效多功能生物基阻燃剂的新方法

为了提高PLA材料的防火安全性，大量研究集中在开发能够减少燃烧过程中热量释放、烟雾产生和有毒气体排放的生物基阻燃剂。一种新型的多功能生物基阻燃剂，苯基膦酸二糠基胺（PPDF），已被成功合成用于PLA。PPDF在极低的添加量下表现出异常高的效率：仅加入0.8 wt%即可将PLA的极限氧指数（LOI）从19.0%提高到30.0%，并在UL-94垂直燃烧测试中达到V-0等级。

3. PLA的羊毛纤维增强

可生物降解的聚合物，特别是脂肪族聚酯，容易发生酶水解，因此易于通过生物过程（生物降解）进行自然回收。在脂肪族聚酯中，PLA因其热塑性行为、生物相容性和物理性能而受到特别关注。这些性能可以通过添加增塑剂、填料、相容剂或聚合物进行调整，从而扩大其在多个行业的应用范围。在PLA基质中加入蛋白质纤维可以为提高PLA基质的热稳定性、阻燃性等带来重大益处。

3.1. 羊毛纤维的价值化

尽管羊毛在纺织品以外的创新应用尚处于早期阶段，但文献中有一些关于开发基于天然聚合物的复合材料以及应用不同的物理和化学表面处理以提高相容性的价值化方法的研究。文献研究主要显示了在PLA基质中价值化羊毛纤维的两种重要方式：1. 使用未经处理的羊毛纤维和用偶联剂处理的纤维；2. 从羊毛废料中提取角蛋白用作增强剂。

3.2. 羊毛的清洁

如果要将羊毛用作PLA中的增强剂，必须找到有效的清洁方法。清洁过程包括手动分拣以去除尽可能多的污染物，然后根据动物身体不同部位的区域划分纤维以获得均匀的纤维，并手动拉伸以促进洗涤过程。

3.3. 羊毛复合材料的热学、力学和降解性能

关于热性能的结果未能突出明确趋势。另一项研究报告了合成一种新型磷系阻燃剂——苯基膦酸3(2-氨基苯并噻唑)（P-TAB）与短再生羊毛纤维（WF）结合，以改善PLA的阻燃和机械性能。含有3wt% P-TAB和不同负载量羊毛纤维的复合材料观察到热释放速率和总热释放量显著降低。

3.4. 角蛋白作为增强剂

从羊毛纤维中分离出的角蛋白已被评估为PLA基质中的增强剂，具有在农业/包装行业和生物材料生产中的潜在应用。除了羧基/硫醇基团，从羊毛中水解的角蛋白含有负责其生物相容性、可生物降解性和生物活性的氨基酸。

3.5. 其他增强材料

在PLA研究领域，其他增强材料也得到了研究。最近的论文介绍了大麻的添加，具有抗老化性能和热氧化降解参数。大麻增强PLA适用于基本的3D打印和进一步的机械应用。

4. 用于电子器件的PLA基板

4.1. 引言

快速增长的短寿命商业电子产品产生了越来越多的电子废物。主要问题之一是使用后电子电路板的分解，因为基板材料大多由石油基热固性材料制成。全球可持续性需要一种新方法，包括复合材料和电子产品的创新制造工艺，以及环境友好的处置和回收策略。

4.2. SC晶体的结构和性能

自从Tsuji等人首次报道从等摩尔PLLA/PDLA混合物在熔体和溶液中形成立体复合晶体（SCs）以来，立体复合晶体PLA（SC-PLA）的研究引起了科学界的兴趣。SC晶体的熔融温度（T_m）可达220–230°C，比普通同质晶体（HC）的170-180°C高出约50 K。

4.3. 增强SC形成的一般方法

实现PLA共混物中更高SC结晶度的各种方法已被广泛研究。分子量（MW）是影响HC和SC晶体形成的重要因素。热加工在影响结晶形成方面起着关键作用，为工业领域提供了一种易于应用的方法。

4.4. SC形成的可能未来途径

作为一种可能的未来路径，计划通过低能电子修饰PLLA和PDLA基质以产生自由基，并在后续的熔体加工中促进它们的相互作用。此外，提出了两种用于修饰PLLA和PDLA基质的成核剂。

5. 在PLA基板上获得电路图形的方法和技术

5.1. 喷墨打印：加成法

喷墨打印是一种在各种基板（包括PLA）上创建电子电路的突出加成制造技术。该方法涉及将导电油墨精确沉积到基板上以形成电路。

5.2. 厚膜丝网印刷：加成法

丝网打印是电子工业中广泛用于创建厚膜电路的传统方法。该技术涉及迫使油墨通过网版将电路图形转移到基板上。

5.3. 气溶胶喷射打印：加成法

气溶胶喷射打印是一种通用技术，可以在各种基板（包括PLA）上生产高分辨率、精细特征的电子电路。该方法使用可以雾化的导电油墨。

5.4. 激光烧蚀：减成法

激光烧蚀是一种激光束从基板上去除材料以创建电路图案的技术。这是一种高精度技术，可以在PLA基板上产生精细特征。

5.5. 激光蚀刻：减成法

激光蚀刻是另一种减成技术，其中使用激光从基板上蚀刻掉材料以形成所需的电路图案。这种方法可以在PLA基板上创建精确复杂的设计。

5.6. 混合技术：激光蚀刻与烧蚀

混合技术结合了激光蚀刻和烧蚀，以利用两种方法的优势。这些方法旨在提高在PLA基板上创建电路图案的精度和效率。

5.7. 传统减成法PCB制造

实验性PLA电路板的生产在制造和组装实践上存在广泛多样性。各种制造工艺分为减成法和加成法。

6. PLA基PCB上的电子组装

6.1. 概述

以下章节研究了在PLA基PCB上进行图案化和电路组装的不同用例。在许多情况下，通过回流工艺或手工焊接将电子元件安装到PLA基印刷电路板上。

6.2. 制造和组装方法评估

PLA电路板是使用各种制造和组装方法生产的，包括3D打印、注射和压缩成型。这些技术能够实现快速原型制造，并以比传统方法更少的材料浪费创建复杂形状。

7. 结论

PLA代表了一种有前途的环保替代传统材料的方案，并经常被研究作为开发可持续PCB基板的理想生物聚合物。本综述通过探索其机械和热性能、可能的增强材料、生态友好型阻燃剂以及原型电子设备的制造方法，重点关注了PLA的适用性。由于可持续性是电子行业未来的关键目标，因此PLA的使用及相关生产方法均根据其环境影响进行了仔细评估。虽然PLA具有许多优势，特别是其结构和创新的制造方法，但它在热稳定性、机械耐久性和实验性制造工艺方面也提出了挑战，这些挑战将塑造未来的持续研究路径。克服这些挑战对于未来扩大PLA在PCB结构中的实际应用至关重要。