注塑技術開創(chuàng)玻璃生產新時代

2021-04-12 來源：中國科學報

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【中玻網(wǎng)】玻璃是人類古老的材料之一，生產于公元前3500年左右的埃及和美索不達米亞東部。其制造工藝同現(xiàn)在一樣：在大約2000℃的溫度下熔化二氧化硅或硅，然后使用各種技藝進行塑形。

　　現(xiàn)代玻璃制造技術可以批量生產某些形狀的玻璃，但不能大批量生產現(xiàn)代生物醫(yī)學所需的設計復雜的玻璃儀器。

　　近日，一項發(fā)表于《科學》的研究報道了一種新的玻璃制造方法，該方法能使這種材料像塑料一般，讓科學家注模出疫苗瓶、實驗用的彎曲管道和其他復雜形狀。

　　2017年，德國弗賴堡大學微系統(tǒng)工程師Frederik Kotz領導的研究小組開始著手研究復雜玻璃儀器難以批量生產的問題。他們改造了一臺通常用來印刷塑料或金屬的3D打印機以鍛造玻璃。

　　研究人員將二氧化硅納米顆粒與一種可以用紫外光固化的聚合物混合，制成了一種可印刷的粉末。在打印出想要的形狀后，他們用紫外光固化該聚合物，使其保持形狀。然后，研究人員將混合物放入烤箱中燒掉聚合物，并將二氧化硅顆粒熔合成連續(xù)的玻璃結構。這種方法奏效了，但制作的過程太慢，仍不能像塑料那樣完全工業(yè)化生產。

　　現(xiàn)在，Kotz和同事將他們的方法擴展到注塑成型階段（一種按噸批量生產玩具和汽車保險杠等塑料零件的工藝）。

　　研究人員再次從微小的二氧化硅顆粒開始，將二氧化硅與兩種聚合物——聚乙二醇（PEG）和聚乙烯醇縮丁醛（PVB）混合。這種混合物產生了像牙膏一樣黏稠的糊狀物。研究小組將糊狀物送入擠出機，壓入圓盤或小齒輪等形狀的預制模具中。

　　拿走模具，零件能保持形狀但很脆弱。為使它們變硬，研究人員用水洗去PEG，然后分兩個階段燒制剩余的材料：一階段在600℃下燒盡PVB，第二階段在1300℃下將二氧化硅顆粒熔合。

　　“我們能夠得到任意形狀的高純度二氧化硅玻璃。”Kotz說，這些玻璃部件具有商業(yè)電信設備和化學反應儀器所需的光學和化學特性。

　　然而，這種大規(guī)模生產玻璃零件的新方法仍然面臨一個瓶頸：為了確保玻璃零件不會破裂，只能在數(shù)天內緩慢清洗掉PEG。如果能加快這一環(huán)節(jié)的速度，這一玻璃成型方法可能會被廣泛使用。

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