2014年06月17日08:39
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把覆蓋智能手機顯示屏表面的保護玻璃換成塑料（樹脂），制造更輕的智能手機﹔把汽車的車窗玻璃、齒輪和軸承等使用的鋁合金也換成樹脂，實現輕量化，從而延長純電動汽車和燃料電池車的續航距離、提高汽油車的燃效﹔使橡膠具備導電性，作為可穿戴部件的可伸縮電極材料，等等。
制造出透明的PC/PMMA復合材料（攝影：東芝機械）
如今，有助於發掘新材料、促進上各種設備和部件進化的制造技術朝著實用化邁出了一大步。這種制造技術就是在施加剪切應力和壓力等外力的同時，混合不同材料的“高剪切成型加工技術”。採用這項技術可以實現不同聚合物材料的納米級混合，使填料均勻、各向同性分布。這種新型樹脂復合材料有可能具備前所未有的全新特點和功能（表1，圖1）。
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表1：應用廣泛 利用高剪切成型加工可以制造出具有前所未有的全新特點的新型復合材料。其應用范圍廣泛，包括智能手機、汽車、可穿戴部件、太陽能電池等。標紅的部分與電子領域關系密切。 |
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圖1：利用高剪切成型加工制造出新型復合材料 高剪切成型加工能夠使混合的聚合物的顆粒縮小到10nm到幾十nm，使填料（添加物）均勻、各項同性分散，防止凝聚。從而制造出全新的復合材料。（圖：HSP Technologies） |
高剪切成型加工技術的應用范圍極其廣泛，並不僅限於開篇介紹的那些用途。其中，與電子領域關系密切的是數碼相機的輕量化。這項加工技術有助於開發出可替換光學鏡頭玻璃的透明樹脂，還可用於開發太陽能電池的電極材料以及染料敏化型太陽能電池的對極材料。鉑（Pt）是現在被普遍看好的一種電極材料，如果有機材料能取而代之，不僅可以穩定電極材料的採購，還能降低成本。
既透明又結實的樹脂是怎樣制作出來的？
關於高剪切成型加工技術在發掘新材料方面的效果，下面就以替代智能手機保護玻璃和汽車車窗玻璃的透明樹脂的開發為例進行介紹。
作為此類透明樹脂的候選，聚碳酸酯（PC）和PMMA（聚甲基異丁烯酸，俗稱有機玻璃）一直是討論的焦點。不過，聚碳酸酯雖然耐沖擊性強、不易受損，但缺乏硬度，而PMMA雖然堅硬，但容易受損。因此，從很早以前，研發人員就開始開發聚碳酸酯與PMMA的復合材料。方法之一是對聚碳酸酯和PMMA進行沉積。但是，由於這兩種材料的膨脹率等性質不同，因此復合材料會產生曲翹。
於是，人們又開始研究將聚碳酸酯和PMMA混合的方法。如果只是單純混合，制造出的復合樹脂並不透明，而是白濁狀，無法替代玻璃。呈現白濁是因為分散相的顆粒過大，達到了幾μm到十幾μm，光線在界面發生了散射。如果能使分散相的顆粒縮小到小於光線波長的10nm到幾十nm，光線就能穿透，樹脂也就會變得透明。而利用高剪切成型加工技術，在施加剪切應力和壓力等外力的同時進行混合，分散相可以縮小到幾十nm以下。
這項加工技術還可以用來在聚合物中均勻地、各項同性地加入碳纖維等填料，提高材料的機械強度，或是使材料具備導電性，從而制造出能夠替代鋁的輕量樹脂和具備導電性的橡膠等。而且，對於前面所講的用來替代玻璃的透明樹脂，均勻加入添加劑也可以改善其耐久性和透明性。
可使用連續式加工機量產
此次，高剪切成型加工技術之所以成功向實用化邁進了一大步，要歸功於能大幅提高復合材料生產效率的連續式加工機的面世。東芝機械與研發型風險企業HSP Technologies合作開發了這種加工機的試制機（圖2）。
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圖2：開發連續式高剪切成型加工機 東芝機械與HSP Technologies合作開發出了適合大量生產復合材料的連續式高剪切成型加工機的試制品。東芝機械在2014年5月22∼24日的內部展覽會上展示了這台試制機（a）。為實現連續處理，試制機採用了全新開發的螺杆（b）。（（a）攝影：東芝機械提供，（b）圖：《日經電子》根據該公司資料制作） |
過去的高剪切成型加工機是間歇地吐出加工好的復合材料，無法連續處理。因此，單位時間的處理量非常少，隻停留在研究用途。而此次兩公司開發出的連續式加工機採用了新的裝置結構，採用了全新的高剪切混合用螺杆，能夠連續吐出加工好的復合材料。不僅處理量明顯增加，復合材料的特性也更加穩定。（作者：田中 直樹，日經技術在線！供稿）
