树脂取代玻璃？神奇的高剪切成型加工技术

将覆盖在智能手机显示屏表面的保护玻璃更换为塑料（树脂），制成更轻的智能手机；汽车车窗玻璃、齿轮和轴承中使用的铝合金也被树脂取代，实现了轻量化，从而延长了纯电动汽车和燃料电池汽车的续航里程，提高了汽油车的燃油效率；

使橡胶具有导电性，作为可伸缩的电极材料，用于耐磨部件等。

制造出透明的PC/PMMA复合材料（照片：东芝机械）。

如今，有助于探索新材料并促进世界上各种设备和部件进化的制造技术向实用化迈出了一大步。这种制造技术是一种“高剪切成形技术”，在这种技术中，不同的材料混合在一起，同时施加剪切应力和压力等外力。利用该技术，可以实现不同聚合物材料的纳米级混合，填料可以均匀各向同性分布。这种新型树脂复合材料可能具有前所未有的新特性和功能（表1，图1）。

表1：广泛使用

通过高剪切成形可以制造出具有前所未有的新特性的新型复合材料。它有着广泛的应用，包括智能手机、汽车、可穿戴组件、太阳能电池等。红色标记的部分与电子领域密切相关。

图1：一种新型复合材料是通过高剪切成形制造的。

高剪切成型可以将混合聚合物的颗粒减少到10nm到几十nm，并使填料（添加剂）均匀且各向同性地分散，以防止团聚。从而制造出一种全新的复合材料。（照片：HSP Technologies）

高剪切成形技术有着广泛的应用，不仅限于最初引入的那些技术。其中，数码相机的轻量化与电子领域密切相关。该加工技术有助于开发可取代光学透镜玻璃的透明树脂，也可用于开发太阳能电池的电极材料和染料敏化太阳能电池的反材料。铂（Pt）是一种目前普遍受到重视的电极材料。如果有机材料可以取代它，不仅可以稳定电极材料的采购，还可以降低成本。

透明且坚固的树脂是如何制成的？

关于高剪切成型技术在探索新材料方面的作用，以下是开发透明树脂以取代智能手机防护玻璃和汽车车窗玻璃的例子。

作为这种透明树脂的候选者，聚碳酸酯（PC）和PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，俗称有机玻璃）一直是讨论的焦点。然而，尽管聚碳酸酯具有很强的抗冲击性，不易损坏，但它缺乏硬度，而聚甲基丙烯酸甲酯很硬，但容易损坏。因此，从很久以前，研究人员就开始开发聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯的复合材料。一种方法是沉积聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯。然而，由于这两种材料的财产不同，例如膨胀率，复合材料会发生翘曲。

因此，人们开始研究将聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯混合的方法。如果简单混合，产生的复合树脂是不透明的，但白色浑浊，无法取代玻璃。出现白色浊度的原因是分散相的颗粒太大，达到几微米到十几微米，光在界面处散射。如果分散相中的颗粒可以减少到小于10nm到几十nm的光波长，那么光可以穿透，树脂将变得透明。然而，通过使用高剪切成型技术，可以在施加诸如剪切应力和压力的外力的同时将分散相减少到小于几十纳米。

这种加工技术还可以用于在聚合物中均匀各向同性地添加碳纤维等填料，以提高材料的机械强度，或者使材料具有导电性，从而制造出可以取代铝的轻质树脂和导电橡胶。此外，对于上述用于取代玻璃的透明树脂，均匀添加添加剂也可以提高其耐用性和透明度。

可以通过连续加工机器大规模生产。

这一次，高剪切成型技术的成功向实用化迈出了一大步，这要归功于连续加工机器的出现，它可以大大提高复合材料的生产效率。东芝机械和研发合资企业HSP Technologies联合开发了这种加工机的试验机（图2）。

图2：开发连续高剪切成型机。

东芝机械与HSP Technologies合作开发了一种适用于大规模生产复合材料的连续高剪切成型机原型……

材料。东芝机械在2014年5月22日至24日的内部展览中展出了这台试验机（A）。为了实现连续加工，试验机采用了新开发的螺杆（B）。（（a）照片：由东芝机械提供，（b）图片：日经电子基于公司信息）

过去，高剪切成型机会间歇性地吐出加工过的复合材料，无法连续加工。因此，单位时间的处理能力非常小，仅停留在研究目的。两家公司开发的连续加工机采用了新的装置结构和全新的高剪切混合螺杆，可以连续吐出加工后的复合材料。不仅吞吐量明显提高，而且复合材料的财产也更加稳定。将覆盖在智能手机显示屏表面的保护玻璃更换为塑料（树脂），制成更轻的智能手机；汽车车窗玻璃、齿轮和轴承中使用的铝合金也被树脂取代，实现了轻量化，从而延长了纯电动汽车和燃料电池汽车的续航里程，提高了汽油车的燃油效率；

使橡胶具有导电性，作为可伸缩的电极材料，用于耐磨部件等。

制造出透明的PC/PMMA复合材料（照片：东芝机械）。

如今，有助于探索新材料并促进世界上各种设备和部件进化的制造技术向实用化迈出了一大步。这种制造技术是一种“高剪切成形技术”，在这种技术中，不同的材料混合在一起，同时施加剪切应力和压力等外力。利用该技术，可以实现不同聚合物材料的纳米级混合，填料可以均匀各向同性分布。这种新型树脂复合材料可能具有前所未有的新特性和功能（表1，图1）。

表1：广泛使用

通过高剪切成形可以制造出具有前所未有的新特性的新型复合材料。它有着广泛的应用，包括智能手机、汽车、可穿戴组件、太阳能电池等。红色标记的部分与电子领域密切相关。

图1：一种新型复合材料是通过高剪切成形制造的。

高剪切成型可以将混合聚合物的颗粒减少到10nm到几十nm，并使填料（添加剂）均匀且各向同性地分散，以防止团聚。从而制造出一种全新的复合材料。（照片：HSP Technologies）

高剪切成形技术有着广泛的应用，不仅限于最初引入的那些技术。其中，数码相机的轻量化与电子领域密切相关。该加工技术有助于开发可取代光学透镜玻璃的透明树脂，也可用于开发太阳能电池的电极材料和染料敏化太阳能电池的反材料。铂（Pt）是一种目前普遍受到重视的电极材料。如果有机材料可以取代它，不仅可以稳定电极材料的采购，还可以降低成本。

透明且坚固的树脂是如何制成的？

关于高剪切成型技术在探索新材料方面的作用，以下是开发透明树脂以取代智能手机防护玻璃和汽车车窗玻璃的例子。

作为这种透明树脂的候选者，聚碳酸酯（PC）和PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，俗称有机玻璃）一直是讨论的焦点。然而，尽管聚碳酸酯具有很强的抗冲击性，不易损坏，但它缺乏硬度，而聚甲基丙烯酸甲酯很硬，但容易损坏。因此，从很久以前，研究人员就开始开发聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯的复合材料。一种方法是沉积聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯。然而，由于这两种材料的财产不同，例如膨胀率，复合材料会发生翘曲。

因此，人们开始研究将聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯混合的方法。如果简单混合，产生的复合树脂是不透明的，但白色浑浊，无法取代玻璃。出现白色浊度的原因是分散相的颗粒太大，达到几微米到十几微米，光在界面处散射。如果分散相中的颗粒可以减少到小于10nm到几十nm的光波长，那么光可以穿透，树脂将变得透明。然而，通过使用高剪切成型技术，可以在施加诸如剪切应力和压力的外力的同时将分散相减少到小于几十纳米。

这种加工技术还可以用于在聚合物中均匀各向同性地添加碳纤维等填料，以提高材料的机械强度，或者使材料具有导电性，从而制造出可以取代铝的轻质树脂和导电橡胶。此外，对于上述用于取代玻璃的透明树脂，均匀添加添加剂也可以提高其耐用性和透明度。

可以通过连续加工机器大规模生产。

这一次，高剪切成型技术的成功向实用化迈出了一大步，这要归功于连续加工机器的出现，它可以大大提高复合材料的生产效率。东芝机械和研发合资企业HSP Technologies联合开发了这种加工机的试验机（图2）。

图2：开发连续高剪切成型机。

东芝机械与HSP Technologies合作开发了一种适用于大规模生产复合材料的连续高剪切成型机原型……

材料。东芝机械在2014年5月22日至24日的内部展览中展出了这台试验机（A）。为了实现连续加工，试验机采用了新开发的螺杆（B）。（（a）照片：由东芝机械提供，（b）图片：日经电子基于公司信息）

过去，高剪切成型机会间歇性地吐出加工过的复合材料，无法连续加工。因此，单位时间的处理能力非常小，仅停留在研究目的。两家公司开发的连续加工机采用了新的装置结构和全新的高剪切混合螺杆，可以连续吐出加工后的复合材料。不仅吞吐量明显提高，而且复合材料的财产也更加稳定。

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