реклама
Стъклото обикновено свързваме с прозрачност, гладка повърхност и крехкост. Но какво би станало, ако то започне да изпълнява и функции, които доскоро бяха запазени за електрониката, пластмасите и керамиката?
Представете си стъклен елемент, който свети в тъмното, повърхност, която се нагрява при подаване на електрически ток, или стъклен бутон, който може да бъде използван в силно натоварена среда и да притежава антибактериални свойства.
Това са част от възможностите, които изследователите от Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) в Дрезден разработват, пренасяйки технологии от керамичната индустрия към стъклото.
Когато стъклото получава нови функции
Основата на технологията е различен начин за формоване на стъклото. Вместо традиционното производство на изделия от разтопено стъкло се използва стъклен прах, който може да бъде смесен с различни добавки и след това да бъде формован при сравнително ниски температури.
Това отваря възможности, които при конвенционалното производство на стъклени изделия са трудни, скъпи или изискват допълнителни технологични операции.
Към стъклената суровина могат да бъдат добавени различни материали, чрез които да се променят не само цветът и външният вид, но и функционалните свойства на готовия продукт.
Така стъклото може да бъде:
- електропроводимо;
- електрически нагряващо се;
- фосфоресциращо и светещо в тъмното;
- антибактериално;
- оцветено;
- формовано в сложни геометрии;
- структурирано на микроскопично ниво.
Това превръща стъклото от пасивен материал в функционален компонент.
От стъклен прах до прецизен функционален елемент
Една от интересните идеи на IKTS е използването на стъклен прах като изходен материал.
Към него могат да бъдат добавени функционални компоненти, например графит. Получената смес се обработва подобно на материали, познати от керамичната и пластмасовата индустрия, и се формова чрез шприцване.
Този подход позволява да се произвеждат детайли със сложна геометрия, прецизни контури и микроструктури, които при традиционната обработка на стъкло могат да изискват допълнително шлифоване, пробиване или ецване.
В процеса може да се използва и рециклирано стъкло, което допринася за по-ефективното използване на суровината.
Стъкло, което провежда ток
Добавянето на графит към стъклената смес може да промени електрическите свойства на материала.
Това позволява създаването на електропроводими стъклени компоненти, при които проводимостта не се реализира непременно чрез традиционен метален проводник, нанесен върху повърхността.
Една от възможните области на приложение са малки нагревателни елементи. При преминаване на електрически ток материалът се загрява.
Това е особено интересно за специализирани компоненти и лабораторни системи. Например могат да се реализират нагряващи се стъклени микрореактори за приложения в химическата и фармацевтичната индустрия.
Тук предимството е не само в самото нагряване, а във възможността нагревателната функция да бъде интегрирана в самия материал и в неговата геометрия.
Стъклото, което свети в тъмното
Друг вариант е към стъкления прах да се добавят пигменти или фосфоресциращи частици.
След въздействие на светлина материалът може да съхранява част от енергията и впоследствие да я отдава като видимо светене.
Това отваря интересни възможности за приложения, при които е необходимо обозначение, което да остане видимо и след отпадане на основното осветление.
Сред възможните приложения са:
- маркировки на евакуационни пътища;
- указателни елементи;
- циферблати и стрелки;
- елементи от арматурни табла;
- специализирани компоненти за транспортната индустрия.
Предимството е, че светлинният ефект може да бъде част от самия стъклен материал, а не отделен пластмасов или електронен компонент.
Сложни форми без традиционната обработка
При класическото производство на стъклени изделия сложните геометрии често изискват последваща механична обработка.
Прецизните ръбове например могат да налагат шлифоване. Отворите и каналите в стъклото също изискват специализирана обработка. При създаването на микроструктури могат да се използват технологично сложни процеси, включително ецване.
При формоването от стъклен прах част от тези операции може да бъде избегната, защото геометрията се създава още при формоването.
Това е особено интересно при малки серии и сложни функционални компоненти, при които традиционната обработка би била трудоемка.
Защо точно стъкло?
Тук се появява и друга интересна страна на технологията.
Стъклото има качества, които го правят привлекателно за приложения, в които пластмасите не са оптималният избор. То има добра химическа устойчивост, висока UV устойчивост и гладка, лесна за почистване повърхност.
При определени приложения това може да бъде съществено предимство – например в обществения транспорт, медицински и лабораторни среди, болници или помещения с високи хигиенни изисквания.
В същото време стъклото позволява голямо разнообразие от цветове, прозрачност, повърхностни ефекти и геометрични форми.
Така към функционалността се добавя и дизайнерският потенциал.
Стъклото като алтернатива на пластмасата
Според изследователите от IKTS новите технологии за формоване могат да открият приложения, при които днес широко се използват пластмасови компоненти.
Особено интересни са малките функционални елементи – например бутони и управляващи повърхности в автобуси, влакове и асансьори, дръжки и контактни елементи в обществени сгради, както и компоненти за специализирана техника.
При такива приложения материалът трябва да отговаря едновременно на няколко изисквания: да има достатъчна устойчивост, да може да се почиства лесно, да запазва външния си вид и да позволява интегриране на допълнителни функции.
Именно тук функционализираното стъкло има потенциал да се превърне в интересна алтернатива на традиционните материали.
От прозрачна повърхност към интелигентен материал
Развитието на тези технологии показва една по-широка тенденция в стъкларската индустрия.
Стъклото вече не се разглежда само като материал за прозорци, фасади и интериор. Чрез промяна на състава, формоването и повърхностната обработка в него могат да бъдат интегрирани нови функции.
То може да бъде проводник, нагревател, светлинен индикатор или функционална хигиенична повърхност, като едновременно запазва основните характеристики, заради които стъклото е ценен материал.
Това поставя стъклото в една нова роля – не просто като материал, през който преминава светлината, а като активен компонент, който може да взаимодейства с околната среда и да изпълнява конкретна техническа функция.
Стъклото свети и се топли само
Стъклени предмети, които светят в тъмнината, стъклени съдове, които сами се затоплят или изстиват, или бутони и копчета за управление, които сами унищожават вируси и бактерии – това не са непременно качества, които може да се очакват от стъклото. За да създадат така функциониращи стъкла, екип от изследователи на Frauenhofer-Institut за керамични технологии и системи IKTS в Дрезден приложи познанията си от технологиите за керамика върху стъклото.
Чрез новата възможност за придаване на желаната форма на стъкла обработката става при значително по-ниски температури и с възможност за прибавяне на добавки, които позволяват постигане на нови функции. По този начин се разкриват нови полета на приложение например във въздушния транспорт, при техниките за сигурност, на места, където досега стъклото изобщо не е било възможно като материал. В зависимост от приложената технология са получени различни комплексни форми и качества, които досега или не са били реализирани, или стъпките на допълнителна обработка са били много скъпи, дори замърсяващи околната среда.
Новата технология включва широк спектър от допълнителни качества – цветове, свободни от метали електрически проводими свойства, затоплящи се, антибактериални и светещи. Освен това методът на формоване на стъкло на IKTS в някои точки като разход на енергия, работно време и други ресурси показва по-добри показатели отколкото традиционното производство на предмети от стъкло.
Стъклото изглежда по-стойностно
„Оттук произтичат нови перспективи за суровината“, подчертава ръководителят на проекта д-р Тасимо Мориц. Стъклото получава потенциала да измести масивно прилаганите пластмаси в ежедневието, защото може да се оцветява в почти всеки желан цвят, може да се оформи в желаната геометрия или да му се придават нетипични функции, може да се използва например за бутони в автобуси, влакове или асансьори. Същото се отнася за мебелните дръжки в детските градини, старческите домове или болниците. „Стъклото все още е малко по-скъпо от пластмасата – допълва д-р Йохен Шилм, – за сметка на това обаче е по-устойчиво и по-хигиенично. Стъклото не е чупливо и не се драска. Също така е по-издръжливо на химични въздействия, както и на UV лъчите.“ Естествено тук се добавя и дизайнерският аспект. Стъклото стои по-благородно и на допир се усеща по-приятно.
За постигане на прецизни форми с точни ръбове трябва да се приложи допълнително шлайфане. За създаване на микроструктури например като тези, които се изискват при лабораторната техника, производителите на стъкло често използват процеси на ецване с опасни вещества и вредни течни киселини. Също така е много трудно да се разпробиват отвори в класическото стъкло.
Добавки на графит за проводимост на стъклото
За да се преодолеят такива ограничения, инженерите от дрезденския институт са адаптирали няколко технологии, които са типични за керамика и пластмаси. Пример: добавят графит към стъкления прах. Като принос към затворения икономически цикъл се използва и рециклирано стъкло. От тази прахообразна смес на графит и стъкло се получава суровина, която се поставя в шприцоващите машини, чрез които се нагнетява в отливката. Така може да се постигне прецизна геометрия и микроструктура. Възможно е създаване на електропроводими и самозатоплящи се микрореакции в стъклото за целите на химическата и фармацевтичната индустрия.
