无机纤维的应用与研究.docx
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无机纤维的应用与研究
无机纤维的应用研究报告
一、无机纤维的定义3
二、无机纤维的特点3
三、无机纤维的分类及运用3
1.玻璃纤维3
2.陶瓷纤维4
3.矿物纤维4
3.1海泡石5
3.2水镁石6
3.3硅灰石7
3.4玄武岩8
4.无机晶须10
5.金属纤维13
6.石英纤维13
7.碳纤维13
四、前景展望14
五、建议14
摘要：
报告主要介绍了几类无机纤维的性能特点以及基本应用，并着重介绍了海泡石、硅灰石、水镁石、玄武岩等几种无机矿物纤维以及几种常用无机晶须的应用领域与发展趋势。
一、无机纤维的定义：
定义：
无机纤维属于高性能纤维的一种，高性能纤维目前还没有共同的定义，一般是指强度>17．6cN／dtex，弹性模量在440cN／dtex以上的纤维，在日本这类纤维也称为超级纤维。
二、无机纤维的特点：
无机纤维主要是由无机物和无机化合物组成其主要有以下几个特点：
1.无机纤维的应力——应变曲线中有一部分完全是直线。
与大多数的有机材料不同，无机纤维在应力作用下只有很小的变形，也就是说它在较低的断裂伸长和较低的接结强度下显示高的弹性模量值。
2.无机纤维一般比其构成的致密材料要更加坚固，这是因为较大晶格缺陷在细小纤维内部或表面出现的几率比在致密材料本身出现的几率要小。
3.除碳纤维外，其它的无机纤维都是不燃的。
三、无机纤维的分类及应用
1.玻璃纤维
玻璃纤维是由熔融的玻璃经快速拉伸、冷却形成的,其化学组成主要是二氧化硅、三氧化硼。
纤维具有原料易得、拉伸强度高、断裂伸长低、弹性模量高、防火、防霉、耐热、耐腐蚀和尺寸稳定性好的优点,是一种常用的性能优良的增强材料,最主要的缺点是脆性大、不耐磨。
按照不同的玻璃纤维要求，可以将玻璃纤维细分为无碱玻璃、中碱玻璃、高碱玻璃、高强度玻璃、高模量玻璃、高硅氧玻璃、耐碱玻璃、其他特种玻璃等。
玻璃纤维具有优异性能：
不燃、不腐、耐热、吸湿小；强度高、伸长小、抗拉强度和冲击强度高；绝热性和化学稳定性好；电绝缘性好。
玻璃纤维良好的性能在产业上得到广泛的应用，主要用于以下几个方面：
增强塑料成品、室内装饰材料、防护功能、过滤材料、建筑
材料等。
2•陶瓷纤维
陶瓷纤维主要通过物理成型法、前驱体转化法、晶体生长法制得，最初被作为一种轻质纤维状耐火材料得到应用，具有质量轻、耐高温、热导率低、比热容小、耐机械振动等优点，主要包括氧化铝、硅酸铝、碳化硅、碳化硅、碳化硼、氮化硼、硼纤维、三氧化二铝等陶瓷纤维。
随着国防、航空航天、能源等领域对新材料的需求，耐火陶瓷纤维、铁电陶瓷纤维、压电陶瓷纤维、超导陶瓷纤维、补强陶瓷纤维、介电性能陶瓷纤维等多功能纤维将得到快速发展。
陶瓷纤维良好的性能在产业上得到广泛的应用，主要用于几个方面：
各种隔热工业窑炉的炉门密封、炉口幕帘；高温烟道、风管的衬套、膨胀的接头；石油化工设备、容器、管道的高温隔热、保温；高温环境下的防护衣、手套、头套、头盔、靴等；汽车发动机的隔热罩、重油发动机排气管的包裹、高速赛车的复合制动摩擦衬垫；输送高温液体、气体的泵、压缩机和阀门用的密封填料、垫片；高温电器绝缘；防火门、防火帘、灭火毯、接火花用垫子和隔热覆盖等防火缝制品；航天、航空工业用的隔热、保温材料、制动摩擦衬垫；深冷设备、容器、管道的隔热、包裹；高档写字楼中的档案库、金库、保险柜等重要场所的绝热、防火隔层，消防自动防火帘。
3.矿物纤维
矿物纤维主要是从矿物中开采得到的一种天然无机纤维，例如海泡石纤维、硅灰石纤维、水镁石纤维、玄武岩纤维、石棉纤维等，后来也将人造无机纤维品种之一的矿物棉称为矿物纤维，矿物纤维具有性能综合、安全、使用性能好、性价比高的优点，保水性、亲水性、分散性、均匀性好，绝热性和化学稳定性好等特点，是符合二十一世纪发展的新型绿色纤维。
3.1海泡石纤维
海泡石是一种层链状纤维富镁硅酸盐矿,因其特有的晶体结构，具有良好的吸附性、流变性和催化性。
海泡石矿物纤维在水和其他高中等极性溶液中，纤维束易解散形成不规则的纤维网络，可在低浓度下形成高黏度的稳定悬浮液。
在海泡石表面存在大量的Si—0!
基，对有机物结合分子有很强的亲和力，可与有机物反应剂直接作用闭。
其所具有的这些特性，使它在很多方面有较高的应用价值，可广泛地应用于石油、化学工程、冶金、建材、轻工、纺织、食品加工、军事、环保、农业及医药等部门。
海泡石纤维良好的性能在产业上得到广泛的应用，具体运用于如下：
1）石棉替代品，脉状海泡石由于其针状晶型和颗粒的纤维状外形，可代替石棉而广泛应用于高档涂料、摩擦材料、屋面材料等领域。
用海泡石形成的涂敷性保温材料具有导热性低、保温性能好、强度高等特性，且具有无毒、无污染、耐油、耐碱、耐腐蚀、防火、附着力强、不易裂缝等性能。
此外，海泡石保温材料还具有用量少、涂料薄，对管道可直接涂敷，不用捆扎的特点，因而施工方便，且降低成本，节省能耗。
海泡石纤维在造纸中得到广泛应用，纸张的耐折度、撕裂度、抗张指数、耐破度等，强度有稍微的下降，但幅度不大，而白度增加，海泡石留着率高，显示出特种纸、阻燃纸的功能特性。
2）吸附材料，由于海泡石具有很强的吸附能力，所以是一种常用的吸附剂。
用作高档吸附材料的一般是经过提纯的脉状海泡石，这种海泡石容易在水介质中分散，同时也容易分离。
3）催化材料，单独的天然海泡石用作催化剂的例子很少，大都是利用改性海泡石作催化剂。
由于海泡石具备作催化剂载体的良好条件，工业上常用它作为活性组分Zn,Cu,MoWFe,Ca和Ni的载体，用于脱金属、沥青以及加氢脱硫或加氢裂化等过程。
4）塑料、溶胶、聚酯、油漆、油脂增稠剂等,海泡石具有流变性和高粘度的悬浮性,改善它的表面性质可在非极性溶剂中形成稳定的悬浮液。
因此,海泡石适用于做塑料溶胶中的增稠剂。
用表面活性剂改善海泡石的表面性质,使其与聚酯相适应。
作为增稠剂和触变剂用在液态聚酯树脂中,可防止颜料沉淀和应用后期聚酯树脂均质差等缺点。
在油漆中加入一定量的海泡石,可使其在储存期间避免颜料沉淀。
5）洗涤及漂洗剂、脱色剂、助滤剂、抗胶凝剂等用海泡石取代高达30％的脂肪酸制成肥皂，可提高肥皂的洗涤率。
与蒙脱土和高岭土相比，不仅提高清洗的质量和去污垢的能力，而且可以吸附细菌，使纺织物上或洗涤水中的细菌达到极低的程度。
脉状海泡石还具有优良的脱色特性，在石蜡、油脂、矿物油和植物油脱色过程中，常被用作脱色剂、中和剂、除臭剂和脱水剂。
6）香烟过滤咀、饲料添加剂、粘结剂,烟草的烟雾是由大量的微液滴组成的，它以悬浮气态存在。
活性炭材料滤咀，能不加选择的吸附烟气态物。
若用海泡石和活性炭作香烟滤咀，就能有选择的吸附香烟中的气态物，即优先吸附有害气态物，对香烟草味的弱极性气体吸附得很少，从而使香烟的香味更浓。
在脉状高纯海泡石应用于香烟过滤嘴方面已经有多项发明专利公开。
3.2水镁石纤维水镁石纤维是一种对人体无害的天然矿物纤维，其主要化学成分为Mg（0H）2无论从化学组成、晶体结构、还是化学性质等方面均与石棉有很大的不同。
水镁石纤维具有优良的力学性能、抗碱性能、水分散性能及环境安全性能。
水镁石纤维的性能特点以及在经济性、安全性方面的优势，决定了它具有极大的市场潜力和应用前景。
水镁石纤维良好的性能在产业上得到广泛的应用，具体运用于如下：
1）阻燃材料，虽然在白度和纯度等方面不及化学合成的Mg（OH）2，但可直接加工成粉体产品，生产工艺简单，成本低，作为阻燃剂应用极具市场竞争力。
2）水泥基复合材料纤维水镁石，研究了在挠曲强度、耐压强度、冲击强度、耐腐蚀性等方面的改善。
随着纤维水镁石的增加，混凝土的机械性能均有所改善，尤其是大大改善了混凝土的挠曲强度。
3）制取高纯氧化镁，高纯氧化镁是制备高级碱性耐火材料、特种陶瓷等的原料，具有广阔的市场前景。
4）抄纸，矿物纤维是采用现代技术，将自然产出的白色纤维状矿石经纤维化超细粉碎、表面复合改性后制备的活性造纸用新材料。
5）可利用纤维水镁石与橡胶制成水镁石矿纤橡胶板以取代传统的石棉橡胶板；其次还可以作为纺织制品，生产线、绳、布等其制品
外表美观，纤维水镁石还可以作为轻质保温材料等等。
3.3硅灰石纤维
硅灰石CaSiO3是一种钙的偏硅酸盐类矿物，理论化学成分（质量百分数）CaO48．3％，SiO251．7％。
天然产出的硅灰石常呈针状、放射状、纤维集合体。
由于其无毒，具有低吸油性、低吸水性、热稳定性和化学稳定性、白度高等物化性质，硅灰石被广泛应用在建筑陶瓷、涂料、塑料、橡胶、冶金和耐火材料等工业部门。
硅灰石纤维良好的性能在产业上得到广泛的应用，具体运用于如下：
1）陶瓷工业,硅灰石广泛用于陶瓷工业中的坯体和釉料。
加入硅灰石后坯体和釉料不开裂、不易折断，不出现裂纹或瑕疵，增加釉料表面光泽，尤其在陶瓷低温煅烧中减少变形和断裂，降低烧成温度。
针状硅灰石粉用于特种陶瓷。
2）功能填料,高纯度硅灰石粉，作为无机白色体质颜料，被广泛用于涂料中，可以替代部分价格昂贵的钛白粉40%〜50%.在浅色橡藏制品中也可叹替代30%〜40%的锐钛型钛自粉，价格仅为钛白耪的十分之一。
针状硅灰石粉，经表面改性后，被广泛应用于汽车塑料、PP,PVPvc等塑料制品中。
3）石棉代用品,针状硅灰石粉由于其针状结构，而且无毒无害，可以部分替代石棉,玻璃纤维、纸浆等,且价格较为便宜。
过去20年石棉对健康危害的宣传及各种限制法规的实施,给硅灰石业带来了广阔的前景。
针状硅灰石粉现主要应甩于防火墙板及水泥材料、摩擦材料。
其他应用包括室内墙板、屋面瓦、高温绝缘砖和板。
原来用石棉的摩擦材料改用高摩擦水平的针状硅灰石,主要包括刹车片、阀塞、汽车离台器,目前这一市场在全球许多地区稳步增长。
4）冶金助熔剂,硅灰石的低温助熔特性使其广泛应用于冶金工业,尤其在连铸方面。
它在熔融状态下可以保护高温的钢水不被氧化,润滑模具壁吸附金属杂质,净化钢水。
这一领域主要应用品位较低的硅灰石,但要求低的硫、磷含量。
5）油漆和涂料,20世纪50年代以来非金属矿物被广泛用做油漆中的增强填料。
加入硅灰石的涂料和油漆能改进物理性能、持久性和抗
气候性，减少油漆的老化。
硅灰石在这一领域的应用主要取决于油漆和涂料的主要消费工业——建筑业和汽车制造业。
另外，硅灰石在这一领域的应用还面临其他一系列非金属矿物的竞争，如碳酸钙，高岭土、霞石正长岩等。
3.4玄武岩纤维
玄武岩纤维（CBF）是以天然的火山喷出岩作为原料，将其破碎后加入熔窑中在1450C〜1500~C熔融后.通过铂铑合金拉丝漏板制成的连续纤维。
玄武岩纤维为非晶态物质，其使用温度范围大，导热系数低，吸湿能力低且不随温度变化，这就保证了它在使用过程中的热稳定性；玄武岩纤维无毒、不易燃、耐化学腐蚀性好，并具有较好的力学性能.因此，可用于制备热绝缘材料、声绝缘材料、抗震材料、过滤材料和复合材料等.
玄武岩纤维良好的性能在产业上得到广泛的应用，具体运用于如下：
1）防火隔热领域的应用，玄武岩纤维具有不燃性、耐温性（一269C〜650~C）、无有毒气体排出、绝热性好、无熔融或滴落、强度高、无热收缩现象等优点。
缺点是比重较芳纶纤维大，穿着的舒适感不如芳纶纤维防火服。
如果CB与其他纤维混纺可制成阻燃面料，用于部队的相关装备显然是有明显优势的。
2）在过滤环保领域的应用，玄武岩纤维是一种新型的绿色环保材料，可用于环保领域有害介质、气体的过滤、吸附和净化，特别是在高温过滤领域.玄武岩纤维长期使用温度是650C,远优于传统过滤材料，是过滤基布、过滤材料、耐高温毡的首选材料。
目前过滤材料主要有天然纤维、各种合成纤维、各种无机纤维和金属纤维。
3）玄武岩纤维增强树脂基复合材料的应用，其具有良好的技术特性：
低容重、低导热率、低湿率和对腐蚀介质的化学稳定性，能够降低结构重量，形成新型结构材料。
利用这些特性，在军品和民品领域有广泛的应用，且又具有一种良好的阻燃性能。
4）在电子技术领域的应用，其具有良好的介电性能，其含有较多
的导电氧化物，是不适合做介电材料的，但是采用某种浸润剂处理纤
维表面后，其介电损失角正切比常规玻纤大大降低，它的体积电阻率
比E玻璃纤维高一个数量级，所以适合用于耐热介电材料？
。
4.无机晶须
无机盐晶须材料是高技术新型复合材料中特殊成员，它有优良的耐高温、高热、耐腐蚀性能、有良好的机械强度、电绝缘性、轻量、高强度、高弹性模量、高硬度等特性，作为塑料、金属、陶瓷的改性增强材料时显示出极佳的物理、化学性能和优异的机械性能。
它将对国防工业、汽车摩托车工业、航空航天材料工业、塑料工业等多种产品的升级换代和提高经济效益，具有现实的或潜在的重大促进作用。
常见晶须的物性参数及应用
名称
碳化硅
硼酸铝
钛酸钾
硼酸镁
氮化硅
氧化锌
莫来石
化学
式
SiC
AI18B4O33
K2Ti6O33
Mg2B2O5
jSi3N4
ZnO
3Al2O3.
2SiO2
色泽
淡绿色
白色
白色或淡
绿色
白色
灰白色
形状
针状
针状
针状
针状
针状
四角刺
状
密度
©/
cm3
3.8
2.9
3.3
2.9l
3.18
5.7
直径
（um）
0.1一1.O
O.5一2
O.5—2
0.2-2
O.2—2
0.1-1.
6
O.5-1.0
长度
（um）
50—200
50—200
10〜20
10〜5O
5〜200
30〜70
7.5〜
20
拉伸强度
（Gpa）
12.9-13.7
20.8
7.84
6.68
3.92
3.4-IO
.3
9.8
弹性
模量
（Gpa）
392
480
392
274
264.6
382.2
350
莫氏
硬度
9.5
7
4
5.5
9
4
熔点
（oC）
2316
1440
1370
1360
1900
1720
大于
1000
耐热
性
（C）
1600
L200
1200
1500-17
00
主要
用途
增强材料
增强材料
绝热材料
增强材料
过滤材料
增强材
料
绝热材料增
强材料
增强材料屏蔽材料防电材料
增强材料添加材料
主要要制备方法
碳还原气相
反应法碳化
硅转化
熔融气相内外部助溶剂
烧成法
熔融助
熔剂水
热法
熔融助
熔剂
硅氮化法碳热还原卤化硅气相氨分解法
高温气
相氧化
反应
有机铝
烧结AI2
O3和
Si02粉
料烧结
主要
生产
单位
美国ACM公司美国
Matrix公司日本TokaiCarbideCO日本TatehoCo
日本四国化成会社中国青海海兴公司
日本大琢会社中国沈阳金建公司
研究开
发中
日本宇部兴产
会社
英国IC、
美国杜邦日本电气化学公司
名称
硫酸镁
石墨
石膏
氧化镁
酸
碳钙
钛酸钡
硼化钛
氧化钛
化学
式
MgS04.5Mg（0H）2•3H20
C
CaS04
Mgo
CaCO3
BaTiO3
TiB2
Ti02
色泽
白色
白色
白色
白色
形状
针状或纤维
状
针状或纤
维状
纤维状
针状
针状
密度
2.3
2.25
2.92
3.58
2.86
5.5
4.48
4.2
（~fcm
3）
直径
（um）
<1
0.3〜1.0
l〜2
O.5〜5.O
O.5〜
1.O
O.2〜
O.5
O.2〜O.5
O.5〜O.1
长度
（um）
10一100
5一100
30一l50
200—
20oO
20—
3O
lO一
20
数百um
3〜6
拉伸强度
（Gpa）
0.4
6.86—
20.58
2.O58
弹性模量
（Cpa）
400
176.4
310.
熔点
（C）
3593
1450
2799
耐热
性C
（空气）700
1000
1600
主要
用途
塑料增强材
料粘结剂
导电材料
增强材料
屏蔽材料
增强材料
填充剂
增强材
料
增强材料填充材料
增强材料电子材料
增强材料
增强材料导电
材料
主要制备方法
水热合成法
氧化镁法
气相成长法苯或甲苯热钋自翟
水热法
镁矿石烧结镁盐水汽熔融
钙盐制备尿素水解气液法
TiCt~BBr
高温气相
水热合成
主要生产单位
日本宇部兴
产公司
日本日机
装会社
日本小野田水泥沈阳祥跃公司
研究开
发中
日本大
冢会社
研究开发
中
名称
氧化铝
氧氧化镁
氮化钛
氮化铝
磷酸
铝
化学
式
AI2O3
Mg（0H）2
TiN
AlN
A1PO4
形状
纤维状
针状或纤
维状
针状
六棱柱
状或
片状
针状
密度
（g/
cm3
3.95
3.3
直径
（um）
O.Ol—l
O.1—5.
10—
20
长度
（um）
5一1000
50—250
100—
500
拉伸强度
（Gpa）
13.827.6
13.8—
20.
弹性模量
（Gpa）
2O82
2199
主要
用途
优良的金属增强材料、绝热材料
阻燃剂绝缘材料增强材料
陶瓷增强
材料
增强材料绝缘材料高热传导制料
增强材料绝热材料
主要制备方法
有机纤维纺
丝法
碱式镁化物与碱反应
氰化钠和
钛酸盐反
应
气相法碳热还原法自蔓延高温合成
水热
合成
法
4.金属纤维金属纤维主要包括不锈钢纤维、铜合金纤维、铅纤维等，金属纤维的生产始于美国,最早用集束拉丝法生产。
后来，由于有机和无机纤维性能无法满足工业和科技迅速发展的需要,发达国家开始高投入对金属纤维制造法及其应用进行研究。
由于技术难度大、工艺复杂,目前只有美国、比利时、日本、俄罗斯和中国掌握了金属纤维的生产技术。
随着电子、电控机械、通讯、高压输电等工业及军事电子对抗技术的高度发展,为克服电磁感应、静电起爆和静电干扰引起的一系列危害及达到电磁屏蔽的要求,急需开发特种的纺织品,以满足其需要。
另外,多数的工服面料根据穿着要求采用了毛涤混纺产品,而这类服装在穿着过程中,发生接触、摩擦的机率较大,静电现象也表现得更为突出。
在织物中加入导电材料一金属纤维就是为解决这类危害所开发的产品。
5、石英纤维石英纤维是由高纯二氧化硅和天然石英晶体制成的纤维,高温下强度保持率高、尺寸稳定、抗热震性、化学稳定性、透光性及电绝缘性较好,主要用作电绝缘材料、隔热材料和复合材料的增强体,用于制造飞机机头雷达罩、火箭的尾喷管、空间航天器的烧蚀材料等,还可用于制造光导纤维。
6、碳纤维
碳纤维是由有机母体纤维（例如粘胶丝、聚丙烯腈或沥青）采用高温分解法在1000〜3000度高温的惰性气体下去除碳以外的所有元素制成的一种新型非金属材料。
碳纤维具有高比强、高比模、耐疲劳、抗蠕变、比耐热钢还耐高温、比不锈钢还耐腐蚀、耐磨损、尺寸稳定、导电、导热、热膨胀系数小、自润滑和吸能抗震等一系列优异性能，另一重要特性就是比重小。
比重一般在1.6左右，是铝的二分之一，钢的五分之一。
尽管碳纤维质量轻，但它强度高，有很高的
比强度”（比强度=材料的强度极限/材料的单位重），碳纤维还有极好的纤度（纤度的表示法之一是9000米长的纤维的克数），一般仅约为19克；拉力高达300千克/平方毫米；目前几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多的优异宝贵的电学、热学和力学性能。
四、前景展望
（1）矿物纤维价格低廉，可以根据其增强、阻燃及填充作用的特性，填充塑料、橡胶等，既改善了塑料的某些性能，又节约了母料成本，具有很好的经济效益。
（2）矿物纤维具有良好的尺寸稳定性、耐热性、抗化学性、阻燃性和电绝缘性，这些性质是植物纤维无法比拟的。
矿物纤维的添加有助于提高纸张的某些特殊性能，适于生产特种纸，用矿物纤维取代部分植物纤维浆将有可能成为今后造纸行业发展的新方向。
目前，国内用于植物纤维替代品的矿物纤维主要有海泡石、硅灰石以及石膏晶须。
纤维水镁石的研究还很少，基本上处于空白状态。
（3）新型矿物纤维石为一种安全的、不对人体造成危害的温石棉的理想代用品。
是一种宝贵的矿产资源，应根据矿石的品位合理的开发利用，提高矿物纤维产品的深加工能力和拓展其应用范围。
五、建议
1.以现有技术为基础，做具有良好市场的功能性产品如（矿物纤维的增强复合材料、耐磨耐高温材料、耐火阻燃材料等）
2.做替代材料，替代具有高能耗高污染、价格昂贵的材料以及具有危害社会公众的产品如（纤维素造纸、石棉、钛白粉等）
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