Science最新研究讓低溫注塑玻璃成為可能

不知道大家有沒有看過類似“玻璃彈珠製作”的影片。

影片中，工人師傅需要將玻璃原料高溫加熱後，在其處於流體狀態下快速塑形。

雖然隔著螢幕，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一項最新研究表明，現在低溫條件下可以注塑玻璃了！

德國弗萊堡大學Frederik Kotz和Bastian E。 Rapp等人提出了一種使用二氧化矽奈米複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、低溫燒結工藝相結合，開發出一種可以與注塑成型技術相容的新型玻璃加工技術，能夠快速批次生產高精密度、表面光滑的玻璃製品。

加工玻璃，沒那麼簡單

這項技術的突破，可以說解決了目前玻璃加工產業的核心難點。

首先，高溫熔融、澆鑄一直以來都是困擾玻璃加工行業的難題。

1500℃以上的高溫要求，一方面使得加工過程中產生能耗巨大（據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化加工的產能和效率。

其次，玻璃微觀形貌加工多采用氫氟酸、鐳射蝕刻等方式，其製備過程危險、操作難度高、對環境汙染大，能加工的形狀和產量也會受到一定限制。

如何實現？

而Markus Mader等人採用低溫注塑成型工藝（IM）與水基脫脂、低溫燒結工藝相結合的方案，剛好解決了以上難題。

技術核心——注塑成型工藝（IM）是一種適用於工業化生產的快速加工技術，它透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。

此前這一技術多用於聚合物的加工製作，這一次研究人員突破性地將其應用在了玻璃加工上。

首先，研究人員將二氧化矽奈米粉、乙烯醇縮丁醛（PVB）溶液、乙烯醇縮丁醛（PEG）溶液預混合， 透過蒸發，得到了熱塑性二氧化矽複合材料。

然後使用雙螺桿擠出機將得到的材料塑化並擠出，得到顆粒狀的原料；

隨後在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，之後再用高溫除去殘餘的粘合劑；

最後在1300°C的真空環境下燒結得到高質量的透明熔融石英玻璃。

由於採用了最佳化的兩步脫脂程式，注塑成型的生坯零件（尺寸小於2毫米）轉換為透明熔融石英，總共只需要24小時。

此外，研究人員進一步使用該技術藝在商用注塑機（Babyplast Christmann）上進行的高通量製造。

結果發現，即使以低至20秒的迴圈時間對二氧化矽奈米複合材料進行全自動注塑，也可以在工業生產水平上生產複雜形狀的熔融石英零件。

在18分鐘生產出了200多個零件，也就是說每5秒便能生產一個玻璃元件！

不僅如此，以上整個加工過程的能耗不到傳統加工工藝的60%；而且由於脫脂過程不是在高溫環境下進行，過程中使用的粘合劑還能回收利用。

△Frederik Kotz

研究者Frederik Kotz說：“這一方法最終可以得到任意形狀的高純矽玻璃。”並表示這些玻璃部件最終還具有商業電信裝置和化學反應堆所需的光學和化學特性。

△André Studart

蘇黎世聯邦理工學院材料學家André Studart則表示這一方法可以引發出更多新的idea。

不過他提出這種大規模生產玻璃部件的新方法仍然面臨一個瓶頸：脫掉PEG過程需要持續數天，以確保玻璃部件不會開裂。

”如果加快這一程序，玻璃的注塑成型就會像塑膠一樣流行起來！“

參考連結：

［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