第六章無機纖維

1、第六章 無機纖維教學目標：1、使學生了解典型的幾種無機纖維的形成、分類、制備方法及用途。2、使學生掌握各種典型的無機纖維的特性。教學重點與難點：1、教學重點：常規(guī)無機纖維的結(jié)構(gòu)與特性2、教學難點：無機纖維的結(jié)構(gòu)與特性之間的具體關(guān)系教學與學習建議： 1、教學建議授課形式：講解與討論，實驗準備典型的幾種無機纖維的實物樣品和顯微鏡標樣，讓學生從宏觀和微觀兩方面觀察認識無機纖維；充分做好實驗準備。2、學習建議通過觀察無機纖維的實物樣品和顯微鏡標樣，從宏觀和微觀兩方面觀察認識無機纖維；通過記憶和理解，掌握無機纖維的主要特性。 第六章 無 機 纖 維第一節(jié) 石棉纖維石棉纖維是指具有高抗張強度、高撓性、耐化

2、學和熱侵蝕、電絕緣和具有可紡性的礦物纖維。纖維束又由很長很細的能相互分離的纖維組成。石棉種類很多，依其礦物成分和化學組成不同，可分為蛇紋石石棉和角閃石石棉兩類。蛇紋石石棉又稱溫石棉，它是石棉中產(chǎn)量最多的一種，具有較好的可紡性能。角閃石石棉又可分為藍石棉、透閃石石棉、陽起石石棉等，產(chǎn)量比蛇紋石石棉少。1.蛇紋石石棉(serpentine,chrysotile)     也稱纖維蛇紋石石棉，或溫石棉(amphibole)，主要成分有二氧化硅、氧化鎂和結(jié)晶水。蛇紋石石棉呈白色或灰色，半透明;沒有磁性、不導電、耐火、耐堿，纖維堅韌柔軟，具有絲的光澤和好的可紡性。目前世界所

3、產(chǎn)石棉主要是蛇紋石石棉，約占世界石棉產(chǎn)量的95%。2.角閃石類石棉(amphibole)     包括青石棉(crocidolite)(亦稱蘭石棉或紫石棉)、鐵石棉(amosite)、直閃石石棉(anthophyllite)、透閃石石棉(tremolite)和陽起石(actinolite)。角閃石類石棉各品種由于含有鈉、鈣、鎂和鐵成分數(shù)量不同而相區(qū)分。須注意，蛇紋石和角閃石礦物本身可有纖維結(jié)構(gòu)或非纖維結(jié)構(gòu)兩種，有纖維結(jié)構(gòu)的蛇紋石和角閃石才稱為石棉 。  不同種類的石棉，物理機械性質(zhì)和化學性質(zhì)也都不同。石棉纖維長度一般為 350毫米，也有較長的。中國發(fā)現(xiàn)最

4、長的石棉纖維達2.18米，是目前世界上最長的。     石棉纖維的軸向拉伸強度較高，有時可達374公斤/厘米2，但不耐折皺，經(jīng)數(shù)次折皺后拉伸強度顯著下降。石棉纖維的結(jié)構(gòu)水含量為1015，以含14的較多。加熱至600700(溫升10/分)時，石棉纖維的結(jié)構(gòu)水折出，纖維結(jié)構(gòu)破壞，揉搓后易變?yōu)榉勰?，顏色改變?石棉纖維的導熱系數(shù)為0.1040.260千卡/米度時，導電性能也很低，是熱和電的良好絕緣材料。石棉纖維具有良好的耐熱性能，一般在300以下加熱2小時重量損失較少，若在 1700以上的溫度下加熱2小時，溫石棉纖維的重量損失較多，其他種類石棉纖維重量損失較少。

5、60;    蛇紋石石棉是鎂的含水硅酸鹽類礦物，屬單斜晶系層狀構(gòu)造。原始結(jié)構(gòu)呈深綠、淺綠、淺黃、土黃、灰白、白等色，半透明狀,外觀呈纖維狀,具有蠶絲般光澤。蛇紋石石棉纖維的劈分性、柔韌性、強度、耐熱性和絕緣性都比較好，比重為2.492.53，比熱為0.266，表面比電阻為8.2×1071.2×1010歐，體積比電阻為1.9×1084.79×109歐厘米。           蛇紋石石棉的耐堿性能較好，幾乎不受堿類的腐蝕，但耐酸性較差，很弱的有機酸就能將石棉中的氧化鎂

6、折出，使石棉纖維的強度下降。 角閃石石棉屬于單斜晶系構(gòu)造。顏色一般較深，比重較大，具有較高的耐酸性、耐堿性和化學穩(wěn)定性，耐腐性也較好。尤其是藍石棉的過濾性能較好，具有防化學毒物和凈化被放射性物質(zhì)污染的空氣等重要特性。     蛇紋石石棉和閃石石棉的區(qū)分是：把石棉放在研缽中研磨，蛇紋石石棉成混亂的氈團，纖維不易分開，閃石石棉研磨后易分成許多細小的纖維。不含鐵的石棉呈白色，含鐵的石棉呈不同色調(diào)的藍色。纖維狀集合體絲絹光澤，劈分后的纖維光澤暗淡。     石棉是彼此平行排列的微細管狀纖維集合體，可分裂成非常細的石棉纖維，直徑可小到0.1微米

7、以下。完全分裂開松后，用肉眼很難觀察，因而是良好的細菌過濾材料。纖維長度超過8毫米的石棉與2025的棉紗混合可制成防火紡織材料，較短的纖維可用于制作石棉膠合布、石棉板和絕緣材料等。藍石棉具有獨特的防化學毒物和凈化放射性微粒污染空氣的性能，被用于制作各種高效能過濾器，用它制造的石棉紙過濾效率達99.9。     垂直裂隙的石棉纖維稱為橫纖維，一般長度在30厘米以下，蛇紋石石棉多以這種形式產(chǎn)出，平行裂隙方向延長的石棉纖維稱縱纖維，其長度可達1米以上，藍石棉多為縱纖維。其他石棉這兩種纖維均有。第二節(jié) 玻璃纖維玻璃纖維是一種性能優(yōu)異的無機非金屬材料。英文原名為：glass

8、 fiber 。成分為二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化硼、氧化鎂、氧化鈉等。它是以玻璃球或廢舊玻璃為原料經(jīng)高溫熔制、拉絲、絡紗、織布等工藝。最后形成各類產(chǎn)品，玻璃纖維單絲的直徑從 幾 個微米到二十幾米個微米，相當于一根頭發(fā)絲的 1/20-1/5 ，每束纖維原絲都有數(shù)百根甚至上千根單絲組成，通常作為復材料中的增強材料，電絕緣材料和絕熱保溫材料，電路基板等，廣泛應用于國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域。玻璃纖維特性：玻璃一般人之觀念為質(zhì)硬易碎物體，并不適于作為結(jié)構(gòu)用材但如其抽成絲后，則其強度大為增加且具有柔軟性，故配合樹脂賦予形狀以后終于可以成為優(yōu)良之結(jié)構(gòu)用材。玻璃纖維隨其直徑變小其強度增高。作為補強材玻璃纖維具有以

9、下之特點，這些特點使玻璃纖維之使用遠較其他種類纖維來得廣泛，發(fā)展速度亦遙遙領(lǐng)先其特性列舉如下：(1)拉伸強度高，伸長小(3%)。 (2)彈性系數(shù)高，剛性佳。 (3)彈性限度內(nèi)伸長量大且拉伸強度高，故吸收沖擊能量 大。 (4)為無機纖維，具不燃性，耐化學性佳。 (5)吸水性小。 (6)尺度安定性，耐熱性均佳。 (7)加工性佳，可作成股、束、氈、織布等不同形態(tài)之產(chǎn)品。 (8)透明可透過光線. (9)與樹脂接著性良好之表面處理劑之開發(fā)完成。 (10)價格便宜。玻璃纖維的分類：玻璃纖維按形態(tài)和長度，可分為連續(xù)纖維、定長纖維和玻璃棉；按玻璃成分，可分為無堿、耐化學、高堿、中堿、高強度、高彈性模量和抗堿玻

10、璃纖維等。 第三節(jié) 碳纖維碳纖維強度大、密度小、耐腐蝕、耐高溫、能導電，具有許多寶貴的電學、熱學和力學性能的新型材料。碳纖維被廣泛的應用于航天和電子高科技等領(lǐng)域。 碳纖維制?。耗壳?，人們還不能直接用碳或石墨來抽成碳纖維，只能采用一些含碳的有機纖維（如尼龍絲、腈綸絲、人造絲等）做原料，將有機纖維跟塑料樹脂結(jié)合在一起，放在稀有氣體的氣氛中，在一定壓強下強熱炭化而成 。當前世界上產(chǎn)生的銷售的碳纖維絕大部分都是用聚丙烯腈纖維的固相碳化制得的。步驟：1）預氧化在空氣中加熱，維持在200-300度數(shù)十至數(shù)百分鐘。預氧化的目的為使聚丙烯腈的線型分子鏈轉(zhuǎn)化為耐熱的梯型結(jié)構(gòu)，以使其在高溫碳化時不熔不燃而保持纖維

11、狀態(tài)。 2）碳化：在惰性氣氛中加熱至1200-1600度，維持數(shù)分至數(shù)十分鐘，就可生成產(chǎn)品碳纖維；所用的惰性氣體可以是高純的氮氣、氬氣或氦氣，但一般多用高純氮氣。 3）石墨化：再在惰性氣氛（一般為高純氬氣）加熱至2000-3000度，維持數(shù)秒至數(shù)十秒鐘；這樣生成的碳纖維也稱石墨纖維。 碳纖維的分類： 按狀態(tài)分為長絲、短纖維和短切纖維；按力學性能分為通用型和高性能型 。通用型碳纖維強度為1000兆帕（MPa）、模量為100GPa左右。高性能型碳纖維又分為高強型（強度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。強度大于4000MPa的又稱為超高強型；模量大于450GPa的稱

12、為超高模型。 碳纖維的應用：碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。碳纖維除用作絕熱保溫材料外，一般不單獨使用，多作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構(gòu)成復合材料。碳纖維增強的復合材料可用作飛機結(jié)構(gòu)材料、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用于制造火箭外殼、機動船、工業(yè)機器人、汽車板簧和驅(qū)動軸等。碳纖維    由聚丙烯腈纖維、瀝青纖維或粘膠維等經(jīng)氧化、炭化等過程制得的含碳量為90%以上的纖維。 第四節(jié) 玄武巖纖維 玄武巖纖維的制備：將玄武巖在14501500熔融后，通過鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的連續(xù)纖維。玄武巖纖維的特點1、高斷裂比強度。

13、2、在腐蝕性介質(zhì)中高耐蝕性和高化學穩(wěn)定性（在酸、堿、鹽溶液中）。玄武巖纖維在堿性溶液中有獨特的化學穩(wěn)定性，該特性為在橋梁、隧道、堤壩、樓板等類混凝土結(jié)構(gòu)的增強，以及瀝青混凝土路面，機場飛機起落跑道的增強和其它易受潮濕、鹽類與堿性混凝土介質(zhì)腐蝕而導致金屬鋼筋腐蝕的建筑構(gòu)件中的應用開辟了廣泛的前景。玄武巖纖維可以與無機粘合劑相容，用于制造新型耐燃復合材料。除此外，玄武巖纖維是制造凈化工業(yè)廢氣和城市廢物處理裝置的過濾器不可替代的材料。3、玄武巖纖維高熱穩(wěn)定性。玄武巖纖維制造的各種材料可以在600條件下使用。利用無機粘合劑制造的玄武巖纖維隔熱材料可以在700條件下使用。除此之外，利用某些高熱穩(wěn)定性玄武

14、巖礦石制造的纖維可以在800條件下使用，而且該纖維已成功地制造成過濾器，并應用于選礦石、冶金工業(yè)、化工廠、建材廠和電站排放氣中粉麈的脫除。用玄武巖纖維制成的過濾器可以凈化300-650工作條件下的空氣。 4、玄武巖纖維對交錯變換負荷具有高穩(wěn)定性和耐久性。用連續(xù)玄武巖纖維制造的型材（玄武巖鋼）如條、棒等，多年（9年以上）使用后，經(jīng)多次交錯變換負載作用下未發(fā)現(xiàn)任何疲勞破壞的痕跡如裂縫和其它征兆。 5、高絕緣特性和高電子磁波輻射透過性。連續(xù)玄武巖纖維具有較高的電絕緣性和較高的電磁波透過性，因而可以用于制造高壓（250千伏）和低壓（500伏）設備的電絕緣材料，如在按裝高壓輸電線、天線整流罩，雷達及其它

15、無線電設備等6、高隔熱隔音特性。7、玄武巖纖維低吸濕率。與玻璃纖維比較，玄武巖纖維吸濕率低于6-8倍，因此在航空工業(yè)、導彈生產(chǎn)和船舶工業(yè)中利用玄武巖纖維制造的隔熱吸音材料屬傳統(tǒng)產(chǎn)品。因為上述行業(yè)而言重量輕、吸濕率低是至關(guān)重要的指標。8、與金屬、塑料、塑膠有較好的兼容性。玄武巖纖維的應用：玄武巖纖維在具有優(yōu)異性能，且性價比好，是一種純天然的無機非金屬材料，也是一種可以滿足國民經(jīng)濟基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的新的基礎(chǔ)材料和高技術(shù)纖維。CBF及其復合材料可以較好地滿足國防建設、交通運輸、建筑、石油化工、環(huán)保、電子、航空、航天等領(lǐng)域結(jié)構(gòu)材料的需求，對國防建設、重大工程和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級具有重要的推動作用。它既是21

16、世紀符合生態(tài)環(huán)境要求的綠色材料，又是一個在世界高技術(shù)纖維行業(yè)中可持續(xù)發(fā)展的有競爭力的新材料產(chǎn)業(yè)。 第五節(jié) 其他纖維（硼纖維、碳化硅纖維、金屬纖維）一、硼纖維一般采用鹵化硼還原生成的元素硼，在連續(xù)蒸發(fā)裝置中析附于載體纖維(金屬纖維或化學纖維)上生成的包覆纖維。載體纖維在析附室的三氯化硼和氫氣的混合氣流中，于10001200的溫度下徐徐通過，元素硼的蒸氣即沉積在載體纖維上。通過調(diào)節(jié)載體纖維經(jīng)過沉積室的速度，可獲得不同直徑的硼纖維。硼纖維質(zhì)地柔軟,直徑一般在100微米左右,比重2.62克/厘米3,熔點2050。彈性模數(shù)比玻璃鋼高5倍，斷裂強度可達280350公斤/毫米2。幾乎不受酸、堿和大多數(shù)有機溶

17、劑的浸蝕,絕緣性良好,有吸收中子的能力。但硼纖維在高溫下能與大多數(shù)金屬起反應而變脆，使用溫度超過1200時強力顯著下降。硼纖維除制成紡織材料用作宇航服和防火服外，常與金屬材料或塑料制成增強復合材料，用作航空、航天器中的耐燒蝕材料和防輻射材料等。 二、碳化硅纖維纖維特點以有機硅化合物為原料經(jīng)紡絲、碳化或氣相沉積而制得具有-碳化硅結(jié)構(gòu)的無機纖維,屬陶瓷纖維類。從形態(tài)上分有晶須和連續(xù)纖維兩種。晶須是一種單晶，碳化硅的晶須直徑一般為0.12m,長度為20300m，外觀是粉末狀。連續(xù)纖維是碳化硅包覆在鎢絲或碳纖維等芯絲上而形成的連續(xù)絲或紡絲和熱解而得到純碳化硅長絲。碳化硅纖維的最高使用溫度達1200，其

18、耐熱性和耐氧化性均優(yōu)于碳纖維，強度達 19604410MPa，在最高使用溫度下強度保持率在 80以上，模量為176.4294GPa，化學穩(wěn)定性也好。 纖維的制備碳化硅長絲的制造過程是將聚硅烷在400以上,發(fā)生熱轉(zhuǎn)位反應，使側(cè)鏈上的甲基以亞甲基的形式，導入主鏈的硅-硅間，形成聚碳硅烷,然后通過干法紡絲或熔體紡絲制成纖維。為防止纖維在碳化過程中發(fā)生熔融粘接，須先在較低溫度下作不熔化處理。不熔化纖維在真空或惰性氣體中加熱至12001500，側(cè)鏈的甲基與氫同時脫出后只留下硅-碳的骨架成分，并形成-碳化硅結(jié)構(gòu)的纖維。最后進行上漿處理及集束卷繞。上漿劑的種類視最終用途而定，用于增強塑料時上漿劑可選用環(huán)氧樹脂，增強金屬及陶瓷時則要求進一步在較低溫度下將