科技 | 新突破!德国研发低温制备玻璃技术问鼎Nature

2007年1月9日,乔布斯首次使用3.5英寸全触控玻璃屏幕,正式开启了智能手机时代的大门。

2010年6月8日, 双面玻璃机身的iPhone 4震撼问世,前后机身都使用铝矽酸盐玻璃制造,表面均具有防油脂涂层。

苹果,用一块玻璃征服世界。

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玻璃,可以说是这个世界上最重要,也是最奇妙的东西之一。

纵然五千年前已有之,21世纪以来,玻璃可谓无处不在,无时不有!据统计,每年玻璃产量高达1.2亿吨,建筑玻璃、汽车玻璃、光伏玻璃、电子器件触控防护玻璃,全球玻璃市场俨然已超过万亿。

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玻璃制造,一定要用高温工艺吗?

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然而,由于制备工艺上的挑战,玻璃的地位受到了来自聚合物的威胁。

聚合物可以使用大规模的工业复制技术进行加工,如注射成型(IM),而玻璃通常是通过熔化来加工的,耗能高,技术上挑战大。

透明玻璃物体主要是由熔融或软化的玻璃制造,然后将其漂浮、拉伸、吹塑、浇铸或吹塑成所需的形状。玻璃成分和加工技术决定了工作温度,该温度通常很高(接近1000°C),并且常常限制了兼容设备和玻璃成分的选择。热塑性聚合物可在约200°C至250°C的相对适中的温度下加工;而对于熔融石英,玻璃仍主要通过在〜2000°C的温度下熔融,硅酸盐玻璃则需要在1500°C的温度下熔融加工而成。传统玻璃制造工艺产生极高的能耗,每生产一吨玻璃大概需要耗能 5-6 MJ。当前的方法在某种程度上已经不太适合玻璃大规模生产,并且所制备的几何形状也有所限制。

发展低温制备玻璃技术是当前该领域的一个重要挑战。

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新突破:非晶SiO2纳米复合材料

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为了解决玻璃制造工艺需要高温的问题,德国弗莱堡大学的Frederik Kotz教授等人借鉴聚合物加工技术,发展了使用非晶SiO2纳米复合材料的高通量注射成型工艺,该工艺结合了现有工艺技术和低能量烧结等优势,可在低温下制备玻璃品,大幅降低能源消耗,而且不需要复杂的专业设备,为大规模生产玻璃注入了新的希望。
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更低温度,更低能耗,更环保

研究人员将非晶SiO2纳米复合材料与传统的低温注射成型技术相结合,发展了低温下制备玻璃组将的新工艺。该工艺中的很多脱脂反应发生在水中,而不再需要在很高的温度下进行。更为重要的是,复合材料中使用的聚合物可以回收和再利用。

使用高通量的热塑性SiO2纳米复合材料,研究人员来形成高质量的熔融硅玻璃,这些玻璃在烧结后,可以制成具有光学表面质量的高纯质量玻璃。烧结的熔融石英玻璃具有高透明度和低表面粗糙度,可以用于光学应用,而不需要进一步的后处理。

而且,该工艺生产效率高,每件生产速度只需5秒。

研究人员指出,该工艺可以得到各种形状的熔融硅玻璃制品,包括管状物、烧杯和微透镜阵列等。这项技术提供了生产复杂形状、高质量玻璃组件的可能性。

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图1. 热塑性纳米复合材料熔融SiO2的注射成型技术

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图2. 用于制造熔融石英玻璃组件的注射成型工艺的可持续性

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图3. 注射成型大块熔融石英玻璃组件
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工业技术,可规模化生产

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该工艺适用于工业上可规模化加工的技术,所采用的机器也被广泛应用于生产中,如玻璃制造的注射成型技术已经非常成熟,并有望降低传统玻璃加工的能源消耗。

使用同样的高通量制造方法,使聚合物成为21世纪最重要的材料类别之一。通过利用玻璃相对于聚合物的固有优势,同时依赖现有的商业机器,这一战略可以将玻璃加工升级为更具经济竞争力的聚合物加工。

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图4. 注射成型微结构熔融石英玻璃组件

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图5. 注塑成型熔融石英玻璃的光学表征

 

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