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最新消息| 顛覆性進展!Science封面文章:僅需5秒,像加工高分子一樣,加工玻璃! | 2023-03-07 |
| 文章来源：由「百度新聞」平台非商業用途取用"https://www.163.com/dy/article/G752LH3705329TW8.html" 玻璃是21世紀最重要的高性能材料之一，其應用范圍涵括包裝、建筑、可再生能源技術和電子設備，再到醫學、高通量數據傳輸設備、光學和光子學等各個領域。據了解，目前全球每年生產的玻璃超過1.2億噸，主要用于制備容器玻璃，平板玻璃和纖維。傳統的玻璃制造工藝VS.新興玻璃加工技術盡管玻璃是人類使用的最古老的材料之一，但制造玻璃的技術實際上已經保持了數百年不變。傳統工藝中，透明玻璃的制造首先需要熔融或軟化玻璃，然后將其漂浮，拉伸，吹塑，澆鑄或直接吹塑成所需的形狀（圖1）。然而，通常石英玻璃的熔融溫度高達2000°C以上，整個過程不僅耗能非常高，而且難以進行工業規模生產。因此，盡管玻璃的光學性能優于聚合物材料，但微透鏡、鏡片等大眾市場光學系統的關鍵組件還是由聚合物制成的。因為通過采用注塑成型（IM）的加工技術，可以實現快速、經濟高效地制備高精度的聚合物組件，這是玻璃組件無法比擬的。圖1.傳統的玻璃制造工藝。近年來，科學家們開發了幾種新興的透明玻璃成型技術，以降低制造過程中所需的工作溫度，譬如：1）直接墨水書寫的增材制造技術，可以將納米復合材料漿料的細絲擠出成從整料到篩網再到開放容器的預成型結構。同時，該技術還可以在線混合多種玻璃成分，以產生空間成分變化，制備漸變折射率玻璃鏡片；2）立體光刻印刷技術（又稱3D打印技術），這是一種逐層加法制造方法，通過光刻選擇性地對光固化納米復合液態樹脂進行圖案化，該方法可以生產出透明的，具有復雜且層次分明的玻璃組件。圖2.新興的透明玻璃加工技術，左為直接墨水書寫技術，右為立體光刻印刷技術。這些新興的技術主要包括以下三個步驟：首先，在低溫下將形成玻璃所需的有機-無機復合材料預制成所需的形狀；隨后，將預成型坯干燥，并去除用于粘結顆粒的有機材料（脫脂）；最后，將預成型坯加熱（燒結）到低于玻璃熔化溫度以下，以致密化為透明玻璃。盡管第二步和第三步確實在較高的溫度下進行燒結，但該過程只需要標準的，與幾何形狀無關的干燥機和熔爐。相比傳統工藝，大大節省了制造成本。克服挑戰，可與注塑技術兼容的新型玻璃加工工藝盡管新興的加工技術給玻璃制造業帶來了新鮮的活力，但由于需要較高的熔融溫度和澆鑄溫度，當前的玻璃加工仍然非常耗能，并且適用于大眾市場的IM加工技術無法制造玻璃。此外，制備精細的微觀形貌往往采用氫氟酸蝕刻或激光蝕刻，制備過程危險、環境污染大，效率也比較低，無法滿足可持續生產的需求。近日，德國弗萊堡大學FrederikKotz和BastianE.Rapp等人使用熱塑性二氧化硅納米復合材料，將上述新興技術的低溫注塑成型工藝（IM）與水基脫脂和低溫燒結工藝相結合，開發了一種可以與注塑成型技術兼容的新型玻璃加工工藝，實現了高精密度、表面極其光滑的精美玻璃制品的制備。這是繼2017年FrederikKotz和BastianE.Rapp等人Nature報道使用標準的3D打印技術制備高精密度、高質量玻璃制品以來，再一次在玻璃加工領域取得重大突破。研究成果以“High-throughputinjectionmoldingoftransparentfusedsilicaglass”為題，于2021年4月9日凌晨發表在《Science》上，并被選為封面！令人鼓舞的是，該工藝具有諸多無與倫比的優勢：一、整個加工過程的能耗居然不到傳統玻璃加工工藝的60%！二、只需要使用標準的IM機械，便能夠制造具有微米分辨率和光學光滑表面的復雜零件（粗糙度小于4nm），不需要進行后續的拋光或表面蝕刻處理！三、該工藝適用于大批量生產玻璃組件，僅僅5秒鐘便可以生產一個諸如試管、燒杯或微透鏡陣列等玻璃組件。四、由于脫脂發生在水中，而不是在升高的溫度下發生，使得復合材料中使用的聚合物如熱塑性粘合劑可以回收再利用。五、此外，通過用金屬鹽摻雜注模熔融石英玻璃，能夠制備具有較好透明度的各種顏色的石英玻璃。新型玻璃加工技術流程步驟一：首先，研究人員將平均粒徑為50至100nm，表面積為30至50m2g-1的二氧化硅納米粉與聚乙烯醇縮丁醛（PVB）溶液和聚乙二醇（PEG）溶液預混合，溶劑蒸發，得到固體熱塑性二氧化硅納米復合材料（圖3A-B）；步驟二：然后，使用雙螺桿擠出機將熱塑性二氧化硅納米復合材料塑化并擠出，得到的最終原料為顆粒狀（圖3C-D）。步驟三：隨后，將原料在?130°C的中等溫度和700-1000bar的特定注射壓力下注塑成型，也就是所謂的生坯部分。在成型過程之后，研究人員將生坯浸入40°C的水中以進行第一步溶劑脫脂步驟，然后在高溫下進行第二步脫脂去除殘留的粘合劑。步驟四：最后，在1300°C的真空下將脫脂后的預成坯型燒結，從而制得了高質量的透明熔融石英玻璃。由于采用了優化的兩步脫脂程序，注塑成型的生坯零件（尺寸小于2毫米）轉換為透明熔融石英，總共只需要24小時。圖3.可與IM兼容的新型玻璃加工工藝流程與傳統的玻璃加工技術相比，新型的玻璃制造工藝具有以下優勢：該工藝更節能，并且還可以將成熟的高通量聚合物加工機械用于大規模市場生產（圖4）。使用的原料是廣泛使用的無毒聚合物和二氧化硅粉末，可以在130°C的中等溫度下進行加工和成型，從而降低能耗。同時，水基脫脂步驟是無害的，可回收大多數PEG粘合劑。此外，新工藝也可以使用低能燒結工藝在1300°C而不是通常的2000°C熔融溫度下轉變為透明熔融石英玻璃。使用標準注塑機進行高通量制造研究人員進一步使用該玻璃加工工藝在商用注塑機（BabyplastChristmann）上進行的高通量制造。結果發現，即使以低至20s的循環時間對二氧化硅納米復合材料進行全自動注塑，也可以在工業生產水平上生產復雜形狀的熔融石英零件（圖4A-B）：在18分鐘的時間跨度內生產了200多個零件，相當于每5s便能生產一個玻璃組件！而且，該工藝還可以使用連續管擠出二氧化硅原料來加工：使用外徑為16mm的環形間隙噴嘴，可以以30mh-1的速度生產長度達1m的管，并能將這些管燒結到透明的熔融石英玻璃上。此外，利用該工藝結合常見的快速加工技術可以輕松制造復雜形狀的熔融石英物體（圖4C-E），這不僅使高產量的熔融石英產品的生產變得快速而靈活，也適用于制造較小且精細的產品或原型。圖4.新型玻璃加工工藝高通量生產熔融石英玻璃除了宏觀結構，新工藝有助于以微米級分辨率制造熔融石英玻璃組件，并以光學表面質量燒結到高度透明的熔融石英玻璃上，為微流體裝置的簡便、高通量制造開辟了一條不同的途徑（圖5）。比如，熔融石英中的微米級通道結構，寬度為240μm，高度為580μm的示例性蛇形通道（圖5H），以及封閉且防漏的微流體結構（圖5I）。圖5.新型玻璃加工工藝以微米級分辨率制造復雜的熔融石英玻璃同期，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的RebeccaDylla-Spears教授在《Perspective》中寫道：“Mader等人已經證明了與傳統的低溫注射成型兼容的顆粒狀玻璃成型復合材料的使用，該工藝適用于大批量生產聚合物組件。”這些方法可以使玻璃以新的形式提供，并且在要求熱穩定性，耐環境性或改善透光性的應用中，與塑料更具成本競爭力。增材制造的方式允許通過編程來更改組件的形狀，而不是為小批量制造和玻璃組件的快速原型制作而重新設計模具，更加符合可持續生產的要求。參考文獻：1.Maderetal.,High-throughputinjectionmoldingoftransparentfusedsilicaglass.Science372,182–186(2021).DOI:10.1126science.abf1537.https:science.sciencemag.orgcontent37265381262.RebeccaDylla-Spears,Preshapingclearglassatlowtemperatures.https:science.sciencemag.orgcontent3726538182來源：高分子科學前沿 關鍵字標籤：石英管製造 |
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