常見無機晶須材料及其應(yīng)用
晶須是由高純度單晶生長而成的微納米級的短纖維。其機械強度等于鄰接原子間力產(chǎn)生的強度。晶須的高度取向結(jié)構(gòu)不僅使其具有高強度、高模量和高伸長率，而且還具有電、光、磁、介電、導(dǎo)電、超導(dǎo)電性質(zhì)。
氧化鋅晶須由于其獨特的立體四針狀結(jié)構(gòu)， 可各向同性地改善材料的力學(xué)性能，如抗拉、抗彎曲和耐磨性能；同時由于ZnOw 的耐高溫性、導(dǎo)熱性和低膨脹系數(shù)，能提高材料在高溫下的化學(xué)和尺寸穩(wěn)定性。含20%（vol） 氧化鋅晶須改性的POM、尼龍-66、PBT 樹脂，它們的拉伸強度、彎曲強調(diào)、彎曲模量、缺口沖擊強度、熱變形溫度均有很大的提高，而線膨脹系數(shù)和成型收縮率則有大幅度的降低， 在應(yīng)用中取得了良好的效果；ZnOw 的體積電阻率小于50Ω/cm，又具有高的真實密度（5.8g/cm3），低的堆集密度（0.01-0.5g/cm3）， 因而它能賦予其復(fù)合材料具有吸聲、減振和抗振性能，可用于音頻機。另外，ZnOw 具有抗菌、吸收紫外線及紅外線的作用,已證明ZnOw樹脂基復(fù)合材料對大腸桿菌、金色葡萄球菌、銅錄假單胞菌等菌種殺滅率達99%。將ZnOw 加入塑料、橡膠、涂料中,可以制成抗菌冰箱、電話、食品袋和地板等。ZnOw 還可以應(yīng)用在原子力顯微鏡（AFM）和掃描隧道顯微鏡（STM）探針等方面。
氧化鋅晶須用于橡膠等高分子材料還有增加強度、提高抗沖擊能力和分散熱量的功能。氧化鋅晶須/橡膠復(fù)合材料可用于土木建筑、機械結(jié)構(gòu)、鐵路軌道、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域用于減振降噪材料中。
北京工商大學(xué)溫變英等以乙烯-辛烯共聚物接枝甲基丙烯酸縮水甘油酯（POE-g-GMA）為增容劑，利用熔融共混法制備了聚丙烯（PP）/POE-g-GMA/四針狀氧化鋅晶須（T-ZnOw）復(fù)合材料，借助于SEM、DSC 和其他測試手段對復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能進行了考查。DSC 測試結(jié)果表明，T-ZnOw對PP 基體的結(jié)晶有一定的誘導(dǎo)作用， 使體系出現(xiàn)了雙熔融峰和雙結(jié)晶峰， 但對PP 的結(jié)晶能力和結(jié)晶度影響不大。力學(xué)性能測試結(jié)果表明，在POE-g-GMA 的協(xié)同作用下，T-ZnOw 對PP 基體有較強的增韌作用，但增強作用不明顯。
硼酸鎂晶須不僅在增強復(fù)合材料時表現(xiàn)出良好的增強性能，而且具有輕質(zhì)、高韌、耐磨、耐腐蝕等特點，可以應(yīng)用于許多場合，如發(fā)動機活塞、連桿、壓縮機汽缸、汽車剎車片和離合器的襯片等耐熱、耐磨部件；滑輪、凸輪、軸承、拉鎖及體育用品等耐磨部件。
此外，硼酸鎂晶須增強塑料成型流動性好，接近于無填充樹脂，晶須可達到部件的任意角落，且表面平潔光滑，成型精度高，部件尺寸穩(wěn)定性強，因此也可以用于制造精小零部件和超薄壁零部件，如手表、照相機等的內(nèi)部塑件等。目前的研究結(jié)果表明，增強塑料方面，硼酸鎂晶須比鈦酸鉀晶須具有更好的性能，增強鎂、鋁基金屬材料時，硼酸鎂晶須可提高彈性模量10%-50%?？梢灶A(yù)見，硼酸鎂晶須將以其高的性價比，出現(xiàn)在復(fù)合材料市場上，在航天航空先進復(fù)合材料技術(shù)的民用化進程中， 硼酸鎂晶須增強材料將占據(jù)重要的地位。
增強高分子材料是當(dāng)前硼酸鋁晶須開發(fā)研究的熱點之一， 目前研究使用的基體樹脂主要包括PP、PE、PVC、PS、PC、PA、聚酰亞胺、聚苯硫醚等，制得的復(fù)合材料具有優(yōu)異的強度、剛度、耐磨性；耐沖擊性及潤滑性能， 可廣泛用于汽車剎車片、離合器襯片、滑輪、軸承等，也可以做成體育運動器件。
國內(nèi)硼酸鋁晶須增強復(fù)合材料方面的研究領(lǐng)先于晶須的合成研究， 初期主要通過購買日本產(chǎn)的晶須進行研究工作，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中科院沈陽金屬研究所、中科院上海硅酸鹽研究所、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)等單位均曾涉足該領(lǐng)域的研究工作，取得了豐碩的研究成果。
目前，我國在硼酸鋁晶須的合成、增強增韌復(fù)合材料、產(chǎn)業(yè)化等方面都具備相當(dāng)?shù)膶嵙?，可以預(yù)期，在不遠的將來， 硼酸鋁晶須將會在增強金屬基（鋁基、鎂基）、陶瓷基、塑料、玻璃、纖維以及涂料等方面，得到非常廣泛的應(yīng)用。
福建省塑料工業(yè)協(xié)會余衛(wèi)平對晶須碳酸鈣在聚乙烯（PE）中的應(yīng)用進行了研究。結(jié)果表明，處理過的晶須碳酸鈣添加到PE 中可以使其MI 值由4.90g/10min 提高到8.35G/10min，加工流動性能明顯提高；DMTA 試驗也表明， 晶須碳酸鈣/PE 合材料的機械性能得到增強；IR 中1720 cm-1 處出現(xiàn)吸收峰表明有促進光降解； 晶須碳酸鈣/PE 復(fù)合材料的熱分解溫度由純PE 的370℃下降到262℃， 熱穩(wěn)定性能明顯下降，可焚燒性能提高；復(fù)合材料熱解程中產(chǎn)生的烷基碎片的最大吸光度由純PE 的0.016 下降到0. 0079， 可以減少焚燒過程中有害氣體的產(chǎn)生
用硫酸鈣晶須增強聚丙烯（PP）時，若采用鈦酸酯偶聯(lián)劑處理其表面，或?qū)郾┙又︸R來酸酐，增強效果很佳?，F(xiàn)在通過采用合適的摻混工藝、適當(dāng)?shù)奶畛浔壤梢灾苽涑鼍C合性能優(yōu)異的硫酸鈣晶須增強PP 材料。
江蘇工業(yè)學(xué)院周超等采用硫酸鈣晶須為增強改性劑、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物（SBS）為增韌改性劑、高抗沖聚苯乙烯（HIPS）為基體材料，通過采用熔融混合擠出，制得HIPS 復(fù)合材料。對該復(fù)合材料的力學(xué)性能、熱性能進行測試，研究了硫酸鈣晶須用量對HIPS 復(fù)合材料的力學(xué)性能、熱性能的影響， 觀察了硫酸鈣晶須/HIPS 微觀結(jié)構(gòu)， 結(jié)果表明，硫酸鈣晶須對HIPS 具有良好的增強作用。
目前，鈦酸鉀晶須用于增強的樹脂基體主要有：PEEK、POM、PBT、PA-66、PA-6、酚醛、特殊尼龍、改性PPO、PPS、ABS、PVC、PP、PC 以及環(huán)氧樹脂等。南京林業(yè)大學(xué)史以俊等研究了鈦酸鉀晶須（PTW）對聚四氟乙烯（PTFE）復(fù)合材料力學(xué)及摩擦學(xué)性能的影響，并與碳纖維（CF）和玻璃纖維（GF）的填充效果進行了比較。結(jié)果表明， 加入PTW 后，PTFE 的硬度、沖擊強度、拉伸強度、彎曲強度、壓縮強度及耐磨性能比純PTFE 的分別約提高了10%、30%、20%、15%、20%和300 倍；PTW/PTFE 的耐磨性能要優(yōu)于GF/PTFE 及CF/PTFE。SEM 研究表明，PTW/PTFE 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比GF/PTFE 及CF/PTFE的均勻致密， 具有顯微增強效果；PTW/PTFE 的磨損面比GF/PTFE 及CF/PTFE 的要平整，其轉(zhuǎn)移膜也較GF/PTFE 及CF/PTFE 的更為均勻、連續(xù)和致密。
碳化硅是極端各向異性生長的晶體， 是在碳化硅粒子的基礎(chǔ)上通過催化劑作用， 沿面生長的短纖維晶體， 目前生產(chǎn)方法主要有氣相反應(yīng)法和固體材料法兩種，其中固體材料法更為經(jīng)濟，更加適合工業(yè)化生產(chǎn)。
日本和美國在碳化硅的合成方面進行了較為系統(tǒng)的研究。中科院沈陽金屬研究所承擔(dān)國家“863”高技術(shù)項目，采用SiO2和炭黑反應(yīng)的方法合成出碳化硅； 中國礦業(yè)大學(xué)和中科院上海硅酸鹽研究所也承擔(dān)了相關(guān)項目的研究開發(fā)工作， 分別以稻殼為原料和炭黑與SiO2為原料合成碳化硅。目前已經(jīng)形成了分別以炭黑加SiO2和稻殼為原料的2 大列合成工藝，但目前還處于實驗室研究階段。同碳化硅的生產(chǎn)一樣， 其增強復(fù)合材料的研究工作也主要集中在美國和日本， 哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中科院沈陽金屬研究所、中科院上海硅酸鹽研究所、清華大學(xué)等單位也開展了這方面的研究工作，并取得了一定的進展。
以硫酸鎂晶須添加增強的熱塑樹脂基復(fù)合材料， 不僅具有很好的外觀、優(yōu)異的剛性、抗沖擊力、彎曲模量和抗損傷能力，而且具有極低的體積收縮性、優(yōu)異的尺寸精確度和抗熱性。它與其它補強增韌劑相比，作用更為明顯，可以在鐵路客車、貨車、冷藏車上應(yīng)用于機車車身、客車和貨車車箱或頂棚以及門、窗等部位。在天然木材、木材碎片中添加硫酸鎂晶須作為增強、阻燃材料制成家具、裝飾用硬木或軟木聚合板，不僅提高了強度和韌性，而且增加了防火性能，使用時不需要其它附加的防火屏障（如金屬包層、灰泥墻板等）。另外，硫酸鎂晶須還可用于隔音阻燃的泡沫建筑板，這種板材在生產(chǎn)中不收縮，固化之后不卷曲，對水不敏感，吸水性極低，不膨脹，有足夠的承受力，防火效果特別好，且經(jīng)濟實用。硫酸鎂晶須的阻燃性質(zhì)不僅可以用于建筑、裝飾材料，而且還可用于電線、電纜的絕緣以及阻燃橡膠和塑料（晶須）復(fù)合材料。
針狀或扇形硫酸鎂晶須添加劑與聚四氟乙烯制成的復(fù)合材料可以作為減震器導(dǎo)向套筒、液壓泵軸承等滑動摩擦組件的潤滑劑。由硫酸鎂晶須制得的改進鎂水泥可以與一種或多種水溶性肥料（如尿素、硫酸鉀、硝酸鉀、硫酸銨和磷酸銨等）生產(chǎn)控釋或緩釋肥料，可以保持這些具有高溶解度化合物的肥效，避免被雨水或灌溉水將其排泄掉， 有利于生態(tài)環(huán)境的保護。
貴州大學(xué)袁紹鵬等研究了硫酸鎂晶須（MSW）/PVC 復(fù)合材料試樣的電鏡照片， 測試了其力學(xué)性能和維卡軟化溫度， 考察了MSW 對試樣性能的影響，結(jié)果表明：試樣中的MSW 有明顯的取向，縱向裁制的試樣具有較好的力學(xué)性能、橫向裁制的試樣力學(xué)性能急劇下降，MSW 的用量對試樣的維卡軟化溫度基本沒有影響。
結(jié)束語
晶須作為一種新穎的增強材料， 具有高強、堅韌、耐熱、耐磨、防腐、絕緣、導(dǎo)電、減振、阻尼、阻燃、吸波等許多特殊功能?？捎糜谠鰪姛峁绦詷渲崴苄詷渲?、橡膠、金屬和陶瓷等，能夠制造高性能的工程塑料、復(fù)合材料、膠黏劑、密封劑和涂料等，有著廣泛的用途。
將無機晶須填充于聚合物中，將有可能獲得真正意義上的聚合物/晶須復(fù)合物，這種新型的復(fù)合物，可以將無機晶須的剛性、尺寸穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性與高分子材料的韌性相結(jié)合， 有望制造出高新技術(shù)所需的材料和開辟、擴大現(xiàn)有高分子材料的應(yīng)用范圍，這一領(lǐng)域已成為國內(nèi)外研究的熱點，具有廣闊的應(yīng)用和市場前景。因此應(yīng)當(dāng)加強晶須的研究開發(fā)，加速晶須的推廣研究。
來源：中國粉體技術(shù)網(wǎng)
