不用高溫也能搓出一顆玻璃球？Science最新研究實(shí)現(xiàn)低溫注塑玻璃

明敏 2021-04-16 13:55:49 來源：量子位

明敏 發(fā)自 凹非寺
量子位 報(bào)道 | 公眾號 QbitAI

不知道大家有沒有看過類似“玻璃彈珠制作”的視頻。

視頻中，工人師傅需要將玻璃原料高溫加熱后，在其處于流體狀態(tài)下快速塑形。

雖然隔著屏幕，但我們也會為操作師傅捏一把汗，畢竟這明晃晃的亮度，看著就很燙！

不過，Science一項(xiàng)最新研究表明，現(xiàn)在低溫條件下可以注塑玻璃了！

德國弗萊堡大學(xué)Frederik Kotz和Bastian E. Rapp等人提出了一種使用二氧化硅納米復(fù)合材料的高通量注塑工藝。

他們將低溫注塑成型工藝（IM）與水基脫脂、低溫?zé)Y(jié)工藝相結(jié)合，開發(fā)出一種可以與注塑成型技術(shù)兼容的新型玻璃加工技術(shù)，能夠快速批量生產(chǎn)高精密度、表面光滑的玻璃制品。

加工玻璃，沒那么簡單

這項(xiàng)技術(shù)的突破，可以說解決了目前玻璃加工產(chǎn)業(yè)的核心難點(diǎn)。

首先，高溫熔融、澆鑄一直以來都是困擾玻璃加工行業(yè)的難題。

1500℃以上的高溫要求，一方面使得加工過程中產(chǎn)生能耗巨大（據(jù)估算每噸玻璃加工需要消耗5～6兆焦耳能量）；另一方面在一定程度上限制了玻璃工業(yè)化加工的產(chǎn)能和效率。

其次，玻璃微觀形貌加工多采用氫氟酸、激光蝕刻等方式，其制備過程危險(xiǎn)、操作難度高、對環(huán)境污染大，能加工的形狀和產(chǎn)量也會受到一定限制。

如何實(shí)現(xiàn)？

而Markus Mader等人采用低溫注塑成型工藝（IM）與水基脫脂、低溫?zé)Y(jié)工藝相結(jié)合的方案，剛好解決了以上難題。

技術(shù)核心——注塑成型工藝（IM）是一種適用于工業(yè)化生產(chǎn)的快速加工技術(shù)，它通過把熔融的原料加壓、注入、冷卻、脫離，最終制作成一定形狀的半成品。

此前這一技術(shù)多用于聚合物的加工制作，這一次研究人員突破性地將其應(yīng)用在了玻璃加工上。

首先，研究人員將二氧化硅納米粉、乙烯醇縮丁醛（PVB）溶液、乙烯醇縮丁醛（PEG）溶液預(yù)混合， 通過蒸發(fā)，得到了熱塑性二氧化硅復(fù)合材料。

然后使用雙螺桿擠出機(jī)將得到的材料塑化并擠出，得到顆粒狀的原料；

隨后在130°C、700 ~ 1000bar特定壓力下注塑成型，得到了生坯部分；

將生坯先浸泡在40°C的水中，以脫去材料中的PEG，之后再用高溫除去殘余的粘合劑；

最后在1300°C的真空環(huán)境下燒結(jié)得到高質(zhì)量的透明熔融石英玻璃。

由于采用了優(yōu)化的兩步脫脂程序，注塑成型的生坯零件（尺寸小于2毫米）轉(zhuǎn)換為透明熔融石英，總共只需要24小時(shí)。

此外，研究人員進(jìn)一步使用該技術(shù)藝在商用注塑機(jī)（Babyplast Christmann）上進(jìn)行的高通量制造。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，即使以低至20秒的循環(huán)時(shí)間對二氧化硅納米復(fù)合材料進(jìn)行全自動注塑，也可以在工業(yè)生產(chǎn)水平上生產(chǎn)復(fù)雜形狀的熔融石英零件。

在18分鐘生產(chǎn)出了200多個(gè)零件，也就是說每5秒便能生產(chǎn)一個(gè)玻璃組件！

不僅如此，以上整個(gè)加工過程的能耗不到傳統(tǒng)加工工藝的60%；而且由于脫脂過程不是在高溫環(huán)境下進(jìn)行，過程中使用的粘合劑還能回收利用。

研究者Frederik Kotz說：“這一方法最終可以得到任意形狀的高純硅玻璃?！辈⒈硎具@些玻璃部件最終還具有商業(yè)電信設(shè)備和化學(xué)反應(yīng)堆所需的光學(xué)和化學(xué)特性。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院材料學(xué)家André Studart則表示這一方法可以引發(fā)出更多新的idea。

不過他提出這種大規(guī)模生產(chǎn)玻璃部件的新方法仍然面臨一個(gè)瓶頸：脫掉PEG過程需要持續(xù)數(shù)天，以確保玻璃部件不會開裂。

”如果加快這一進(jìn)程，玻璃的注塑成型就會像塑料一樣流行起來！“

參考鏈接
[1]https://science.sciencemag.org/content/372/6538/182
[2]https://www.sciencemag.org/news/2021/04/glass-molded-plastic-could-usher-new-era-complex-shapes

-完-