樹脂取代玻璃？神奇的高剪切成型加工技術

將覆蓋在智能手機顯示屏表面的保護玻璃更換為塑料（樹脂），制成更輕的智能手機；汽車車窗玻璃、齒輪和軸承中使用的鋁合金也被樹脂取代，實現了輕量化，從而延長了純電動汽車和燃料電池汽車的續航里程，提高了汽油車的燃油效率；

使橡膠具有導電性，作為可伸縮的電極材料，用于耐磨部件等。

制造出透明的PC/PMMA復合材料（照片：東芝機械）。

如今，有助于探索新材料并促進世界上各種設備和部件進化的制造技術向實用化邁出了一大步。這種制造技術是一種“高剪切成形技術”，在這種技術中，不同的材料混合在一起，同時施加剪切應力和壓力等外力。利用該技術，可以實現不同聚合物材料的納米級混合，填料可以均勻各向同性分布。這種新型樹脂復合材料可能具有前所未有的新特性和功能（表1，圖1）。

表1：廣泛使用

通過高剪切成形可以制造出具有前所未有的新特性的新型復合材料。它有著廣泛的應用，包括智能手機、汽車、可穿戴組件、太陽能電池等。紅色標記的部分與電子領域密切相關。

圖1：一種新型復合材料是通過高剪切成形制造的。

高剪切成型可以將混合聚合物的顆粒減少到10nm到幾十nm，并使填料（添加劑）均勻且各向同性地分散，以防止團聚。從而制造出一種全新的復合材料。（照片：HSP Technologies）

高剪切成形技術有著廣泛的應用，不僅限于最初引入的那些技術。其中，數碼相機的輕量化與電子領域密切相關。該加工技術有助于開發可取代光學透鏡玻璃的透明樹脂，也可用于開發太陽能電池的電極材料和染料敏化太陽能電池的反材料。鉑（Pt）是一種目前普遍受到重視的電極材料。如果有機材料可以取代它，不僅可以穩定電極材料的采購，還可以降低成本。

透明且堅固的樹脂是如何制成的？

關于高剪切成型技術在探索新材料方面的作用，以下是開發透明樹脂以取代智能手機防護玻璃和汽車車窗玻璃的例子。

作為這種透明樹脂的候選者，聚碳酸酯（PC）和PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，俗稱有機玻璃）一直是討論的焦點。然而，盡管聚碳酸酯具有很強的抗沖擊性，不易損壞，但它缺乏硬度，而聚甲基丙烯酸甲酯很硬，但容易損壞。因此，從很久以前，研究人員就開始開發聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯的復合材料。一種方法是沉積聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯。然而，由于這兩種材料的財產不同，例如膨脹率，復合材料會發生翹曲。

因此，人們開始研究將聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯混合的方法。如果簡單混合，產生的復合樹脂是不透明的，但白色渾濁，無法取代玻璃。出現白色濁度的原因是分散相的顆粒太大，達到幾微米到十幾微米，光在界面處散射。如果分散相中的顆粒可以減少到小于10nm到幾十nm的光波長，那么光可以穿透，樹脂將變得透明。然而，通過使用高剪切成型技術，可以在施加諸如剪切應力和壓力的外力的同時將分散相減少到小于幾十納米。

這種加工技術還可以用于在聚合物中均勻各向同性地添加碳纖維等填料，以提高材料的機械強度，或者使材料具有導電性，從而制造出可以取代鋁的輕質樹脂和導電橡膠。此外，對于上述用于取代玻璃的透明樹脂，均勻添加添加劑也可以提高其耐用性和透明度。

可以通過連續加工機器大規模生產。

這一次，高剪切成型技術的成功向實用化邁出了一大步，這要歸功于連續加工機器的出現，它可以大大提高復合材料的生產效率。東芝機械和研發合資企業HSP Technologies聯合開發了這種加工機的試驗機（圖2）。

圖2：開發連續高剪切成型機。

東芝機械與HSP Technologies合作開發了一種適用于大規模生產復合材料的連續高剪切成型機原型……

材料。東芝機械在2014年5月22日至24日的內部展覽中展出了這臺試驗機（A）。為了實現連續加工，試驗機采用了新開發的螺桿（B）。（（a）照片：由東芝機械提供，（b）圖片：日經電子基于公司信息）

過去，高剪切成型機會間歇性地吐出加工過的復合材料，無法連續加工。因此，單位時間的處理能力非常小，僅停留在研究目的。兩家公司開發的連續加工機采用了新的裝置結構和全新的高剪切混合螺桿，可以連續吐出加工后的復合材料。不僅吞吐量明顯提高，而且復合材料的財產也更加穩定。將覆蓋在智能手機顯示屏表面的保護玻璃更換為塑料（樹脂），制成更輕的智能手機；汽車車窗玻璃、齒輪和軸承中使用的鋁合金也被樹脂取代，實現了輕量化，從而延長了純電動汽車和燃料電池汽車的續航里程，提高了汽油車的燃油效率；

使橡膠具有導電性，作為可伸縮的電極材料，用于耐磨部件等。

制造出透明的PC/PMMA復合材料（照片：東芝機械）。

如今，有助于探索新材料并促進世界上各種設備和部件進化的制造技術向實用化邁出了一大步。這種制造技術是一種“高剪切成形技術”，在這種技術中，不同的材料混合在一起，同時施加剪切應力和壓力等外力。利用該技術，可以實現不同聚合物材料的納米級混合，填料可以均勻各向同性分布。這種新型樹脂復合材料可能具有前所未有的新特性和功能（表1，圖1）。

表1：廣泛使用

通過高剪切成形可以制造出具有前所未有的新特性的新型復合材料。它有著廣泛的應用，包括智能手機、汽車、可穿戴組件、太陽能電池等。紅色標記的部分與電子領域密切相關。

圖1：一種新型復合材料是通過高剪切成形制造的。

高剪切成型可以將混合聚合物的顆粒減少到10nm到幾十nm，并使填料（添加劑）均勻且各向同性地分散，以防止團聚。從而制造出一種全新的復合材料。（照片：HSP Technologies）

高剪切成形技術有著廣泛的應用，不僅限于最初引入的那些技術。其中，數碼相機的輕量化與電子領域密切相關。該加工技術有助于開發可取代光學透鏡玻璃的透明樹脂，也可用于開發太陽能電池的電極材料和染料敏化太陽能電池的反材料。鉑（Pt）是一種目前普遍受到重視的電極材料。如果有機材料可以取代它，不僅可以穩定電極材料的采購，還可以降低成本。

透明且堅固的樹脂是如何制成的？

關于高剪切成型技術在探索新材料方面的作用，以下是開發透明樹脂以取代智能手機防護玻璃和汽車車窗玻璃的例子。

作為這種透明樹脂的候選者，聚碳酸酯（PC）和PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，俗稱有機玻璃）一直是討論的焦點。然而，盡管聚碳酸酯具有很強的抗沖擊性，不易損壞，但它缺乏硬度，而聚甲基丙烯酸甲酯很硬，但容易損壞。因此，從很久以前，研究人員就開始開發聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯的復合材料。一種方法是沉積聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯。然而，由于這兩種材料的財產不同，例如膨脹率，復合材料會發生翹曲。

因此，人們開始研究將聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯混合的方法。如果簡單混合，產生的復合樹脂是不透明的，但白色渾濁，無法取代玻璃。出現白色濁度的原因是分散相的顆粒太大，達到幾微米到十幾微米，光在界面處散射。如果分散相中的顆粒可以減少到小于10nm到幾十nm的光波長，那么光可以穿透，樹脂將變得透明。然而，通過使用高剪切成型技術，可以在施加諸如剪切應力和壓力的外力的同時將分散相減少到小于幾十納米。

這種加工技術還可以用于在聚合物中均勻各向同性地添加碳纖維等填料，以提高材料的機械強度，或者使材料具有導電性，從而制造出可以取代鋁的輕質樹脂和導電橡膠。此外，對于上述用于取代玻璃的透明樹脂，均勻添加添加劑也可以提高其耐用性和透明度。

可以通過連續加工機器大規模生產。

這一次，高剪切成型技術的成功向實用化邁出了一大步，這要歸功于連續加工機器的出現，它可以大大提高復合材料的生產效率。東芝機械和研發合資企業HSP Technologies聯合開發了這種加工機的試驗機（圖2）。

圖2：開發連續高剪切成型機。

東芝機械與HSP Technologies合作開發了一種適用于大規模生產復合材料的連續高剪切成型機原型……

材料。東芝機械在2014年5月22日至24日的內部展覽中展出了這臺試驗機（A）。為了實現連續加工，試驗機采用了新開發的螺桿（B）。（（a）照片：由東芝機械提供，（b）圖片：日經電子基于公司信息）

過去，高剪切成型機會間歇性地吐出加工過的復合材料，無法連續加工。因此，單位時間的處理能力非常小，僅停留在研究目的。兩家公司開發的連續加工機采用了新的裝置結構和全新的高剪切混合螺桿，可以連續吐出加工后的復合材料。不僅吞吐量明顯提高，而且復合材料的財產也更加穩定。

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