无机纤维的应用与研究.docx

1、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 31.玻璃纤维 32.陶瓷纤维 43.矿物纤维 43.1海泡石 53.2水镁石 63.3硅灰石 73.4玄武岩 84.无机晶须 105.金属纤维 136.石英纤维 137.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

2、度 176cNdtex ，弹性模量在 440cNdtex 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

3、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

4、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

5、；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

6、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

7、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

8、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, Mo W Fe, 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

9、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，

10、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。

11、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

12、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) CaO483， SiO2517 。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

13、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、

14、PP, PV Pvc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

15、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1450C1500C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

16、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 269C650C）、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

17、）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650 C ,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

18、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

19、钛酸钾硼酸镁氮化硅氧化锌莫来石化学式SiCAI18B4O33K2Ti6O33Mg2B2O5j Si3N4ZnO3Al2O3.2SiO2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 /cm33. 82. 93. 32. 9l3. 185 . 7直径(um)0.1 一 1. OO. 5 一 2O. 5 20.2-2O. 220.1-1.6O. 5-1.0长度(um)50 20050 20010 2010 5O5 20030 707 . 520拉伸 强度(Gpa)12. 9-13.720. 87. 846. 683 . 923.4-IO.39 . 8弹性模量(Gpa)39

20、2480392274264 . 6382 . 2350莫氏硬度9.5745. 594熔点(oC)231614401370136019001720大于1000耐热性(C)1600L20012001500-1700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AI2O3和Si02 粉料烧结主要生产单位美国ACM公 司 美国Matrix公司 日本Tokai C

21、arbide CO 日本Tateho Co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 3H20CCaS04MgoCaCO3BaTiO3TiB2Ti02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. 32. 252. 923. 582. 865. 54. 484. 2(fcm3)直径(um)10. 3 1 . 0l2O. 5 5 . OO. 51 . OO . 2O. 5O. 2 O. 5O.

22、5 O. 1长度(um)10 一 1005 一 10030 一 l50200 20oO20 3OlO 一20数百um36拉伸 强度(Gpa)0. 46 . 86 20. 582 . O58弹性 模量(Cpa)400176 . 4310 .熔点(C)359314502799耐热性C(空气)70010001600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TiCtBBr高温气

23、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AI2O3Mg(0H)2TiNAlNA1PO4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 /cm33. 953 . 3直径(um)O. OllO. 1 5 .10 20长度(um)5 一 100050250100500拉伸 强度(Gpa)13 . 8 27 . 613 . 820 .弹性 模量(Gpa)2O822199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

24、 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

25、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

26、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10003000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

27、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)15