树脂取代玻璃?神奇的高剪切成型加工技术

日经技术在线 田中直树

把覆盖智能手机显示屏表面的保护玻璃换成塑料(树脂),制造更轻的智能手机;把汽车的车窗玻璃、齿轮和轴承等使用的铝合金也换成树脂,实现轻量化,从而延长纯电动汽车和燃料电池车的续航距离、提高汽油车的燃效;使橡胶具备导电性,作为可穿戴部件的可伸缩电极材料,等等。

制造出透明的PC/PMMA复合材料(摄影:东芝机械)

如今,有助于发掘新材料、促进上各种设备和部件进化的制造技术朝着实用化迈出了一大步。这种制造技术就是在施加剪切应力和压力等外力的同时,混合不同材料的“高剪切成型加工技术”。采用这项技术可以实现不同聚合物材料的纳米级混合,使填料均匀、各向同性分布。这种新型树脂复合材料有可能具备前所未有的全新特点和功能(表1,图1)。

表1:应用广泛

利用高剪切成型加工可以制造出具有前所未有的全新特点的新型复合材料。其应用范围广泛,包括智能手机、汽车、可穿戴部件、太阳能电池等。标红的部分与电子领域关系密切。

图1:利用高剪切成型加工制造出新型复合材料

高剪切成型加工能够使混合的聚合物的颗粒缩小到10nm到几十nm,使填料(添加物)均匀、各项同性分散,防止凝聚。从而制造出全新的复合材料。(图:HSP Technologies)

高剪切成型加工技术的应用范围极其广泛,并不仅限于开篇介绍的那些用途。其中,与电子领域关系密切的是数码相机的轻量化。这项加工技术有助于开发出可替换光学镜头玻璃的透明树脂,还可用于开发太阳能电池的电极材料以及染料敏化型太阳能电池的对极材料。铂(Pt)是现在被普遍看好的一种电极材料,如果有机材料能取而代之,不仅可以稳定电极材料的采购,还能降低成本。

既透明又结实的树脂是怎样制作出来的?

关于高剪切成型加工技术在发掘新材料方面的效果,下面就以替代智能手机保护玻璃和汽车车窗玻璃的透明树脂的开发为例进行介绍。

作为此类透明树脂的候选,聚碳酸酯(PC)和PMMA(聚甲基异丁烯酸,俗称有机玻璃)一直是讨论的焦点。不过,聚碳酸酯虽然耐冲击性强、不易受损,但缺乏硬度,而PMMA虽然坚硬,但容易受损。因此,从很早以前,研发人员就开始开发聚碳酸酯与PMMA的复合材料。方法之一是对聚碳酸酯和PMMA进行沉积。但是,由于这两种材料的膨胀率等性质不同,因此复合材料会产生曲翘。

于是,人们又开始研究将聚碳酸酯和PMMA混合的方法。如果只是单纯混合,制造出的复合树脂并不透明,而是白浊状,无法替代玻璃。呈现白浊是因为分散相的颗粒过大,达到了几μm到十几μm,光线在界面发生了散射。如果能使分散相的颗粒缩小到小于光线波长的10nm到几十nm,光线就能穿透,树脂也就会变得透明。而利用高剪切成型加工技术,在施加剪切应力和压力等外力的同时进行混合,分散相可以缩小到几十nm以下。

这项加工技术还可以用来在聚合物中均匀地、各项同性地加入碳纤维等填料,提高材料的机械强度,或是使材料具备导电性,从而制造出能够替代铝的轻量树脂和具备导电性的橡胶等。而且,对于前面所讲的用来替代玻璃的透明树脂,均匀加入添加剂也可以改善其耐久性和透明性。

可使用连续式加工机量产

此次,高剪切成型加工技术之所以成功向实用化迈进了一大步,要归功于能大幅提高复合材料生产效率的连续式加工机的面世。东芝机械与研发型风险企业HSP Technologies合作开发了这种加工机的试制机(图2)。

图2:开发连续式高剪切成型加工机

东芝机械与HSP Technologies合作开发出了适合大量生产复合材料的连续式高剪切成型加工机的试制品。东芝机械在2014年5月22~24日的内部展览会上展示了这台试制机(a)。为实现连续处理,试制机采用了全新开发的螺杆(b)。((a)摄影:东芝机械提供,(b)图:《日经电子》根据该公司资料制作)

过去的高剪切成型加工机是间歇地吐出加工好的复合材料,无法连续处理。因此,单位时间的处理量非常少,只停留在研究用途。而此次两公司开发出的连续式加工机采用了新的装置结构,采用了全新的高剪切混合用螺杆,能够连续吐出加工好的复合材料。不仅处理量明显增加,复合材料的特性也更加稳定。

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