第五節(jié)　無機(jī)纖維

無機(jī)纖維包括天然無機(jī)纖維和人造無機(jī)纖維兩類。天然無機(jī)纖維主要是石棉纖維；人造無機(jī)纖維包括玻璃纖維、碳纖維、金屬纖維、陶瓷纖維等。

一、石棉纖維

石棉纖維是天然礦物質(zhì)纖維，是由中基性的火成巖或含有鐵、鎂的石灰質(zhì)白云巖在中高溫環(huán)境變質(zhì)條件下生成的變質(zhì)礦物巖石結(jié)晶。它的基本化學(xué)組成是含鎂、鈉、鈣、鐵、鋁的硅酸鹽或鋁硅酸鹽，且含有羥基。

石棉纖維包括角閃石石棉和蛇紋石石棉兩種。蛇紋石石棉中最主要的品種是溫石棉。

硅酸鹽礦物的天然結(jié)晶有兩大類，一大類是三維立體柱狀結(jié)構(gòu)，其完美純正結(jié)晶是石英；另一大類是二維片狀結(jié)構(gòu)，其多層片狀疊合結(jié)晶是云母，且云母單層厚度為0.5～0.6nm。將單層片狀硅酸鹽盤卷成空心圓管，卷疊層數(shù)一般為10～18層，這就是單根石棉纖維，其外直徑為19～30nm，空心管芯直徑為4.5～7nm。許多單根石棉纖維按接近六方形堆積結(jié)合成束，即構(gòu)成了石棉纖維結(jié)晶束。石棉纖維外形及其截面如圖1-16所示。石棉礦石中束纖維及單纖維長度很長，我國開采保存的最長纖維束達(dá)2.18m。開采后，石棉纖維有所折斷，長度視加工條件而定，一般為3～80mm。

溫石棉一般為深綠、淺綠、土黃、淺黃、灰白或白色，半透明，有蠶絲光澤，耐堿性良好，耐酸性較差。角閃石石棉一般為深藍(lán)、淺藍(lán)、灰藍(lán)色，有蠶絲光澤，耐酸堿性均較好。

石棉纖維未受損傷時，斷裂比強(qiáng)度可達(dá)11cN/dtex，受損傷后強(qiáng)度會降低。回潮率為11%～17.5%，結(jié)構(gòu)中大部分是結(jié)晶水。石棉纖維在300℃以下處理時，結(jié)構(gòu)無損傷；在600～700℃脫析結(jié)晶水，結(jié)構(gòu)破壞、變脆；在1700℃及以上，石棉結(jié)構(gòu)被破壞，強(qiáng)度顯著下降、變脆。

石棉纖維可廣泛應(yīng)用于耐熱、隔熱、保溫、耐酸堿的服裝、鞋靴、手套，化工過濾材料，電解槽隔膜織物，鍋爐和烘箱等的熱保溫材料，石棉瓦、石棉板等建筑材料，電絕緣的防水填充材料等。但由于石棉破碎后成為直徑亞微米級的短纖維末，在流動空氣中會隨風(fēng)飛散，被人吸入肺部將引起硅沉著病。目前在全世界范圍內(nèi)已公開限制或禁止石棉纖維的應(yīng)用，其生產(chǎn)規(guī)模近年來已明顯萎縮。

二、玻璃纖維

玻璃纖維是用硅酸鹽類物質(zhì)經(jīng)人工熔融紡絲形成的無機(jī)長絲纖維。

玻璃纖維的基本組成是硅酸鹽或硼酸鹽，及天然礦物的石英砂、石灰石、白云石、石蠟等加配純堿（碳酸鈉）、硼酸等。其主要成分是二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵，及鈣、硼、鎂、鋇、鉀、鈉等元素的氧化物。根據(jù)玻璃纖維中堿金屬氧化物含量的不同可以形成不同的玻璃纖維品種，如無堿電絕緣玻璃纖維（E玻璃纖維）、堿玻璃纖維（A玻璃纖維）、耐化學(xué)玻璃纖維（C玻璃纖維）、高拉伸模量玻璃纖維（M玻璃纖維）、高強(qiáng)度玻璃纖維（S玻璃纖維）、含鋁玻璃纖維（L玻璃纖維）、低介電常數(shù)玻璃纖維（D玻璃纖維），以及其他特種玻璃纖維，如光導(dǎo)玻璃纖維、防輻射玻璃纖維等，見表1-6。

除了濃堿、濃磷酸和氫氟酸，玻璃纖維幾乎能耐所有的化學(xué)試劑。

玻璃纖維是表面光滑的線狀圓柱體，截面的圓整程度與紡絲工藝密切相關(guān)。

以玻璃纖維織物為增強(qiáng)材料、高聚物為基體而形成的復(fù)合材料，稱為“玻璃鋼”，在交通運輸、環(huán)境保護(hù)、石油化工、電子工業(yè)、機(jī)械、航空航天、核能軍事等部門和產(chǎn)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，具有強(qiáng)度高、剛性好、不吸水、外表面光潔、密度低、抗氧化、耐腐蝕、隔熱絕緣、減震以及容易成形和成本較低等特點。

表1-6　幾種常見的玻璃纖維化學(xué)組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

注　各生產(chǎn)企業(yè)各品種牌號纖維的組成均有較大差異，但其基本組成依然是表中的幾種物質(zhì)。

利用玻璃纖維導(dǎo)光損耗低（吸收率低），芯層與皮層界面全反射，且折射漏射少，作為通信信號傳輸材料已得到廣泛應(yīng)用。

在醫(yī)療圖像傳輸領(lǐng)域內(nèi)，高數(shù)值孔徑、寬纖芯的復(fù)式光導(dǎo)纖維在胃鏡檢測等領(lǐng)域也已有應(yīng)用。

近年來，在光導(dǎo)玻璃纖維原料配方中增加適量的稀土元素，可生產(chǎn)出用于光學(xué)放大的玻璃纖維激光器，這是玻璃纖維發(fā)展的新方向。

三、金屬纖維

金屬纖維是指金屬含量較高、金屬材料連續(xù)分布、橫向尺寸在微米級的纖維。

金屬纖維按其主要成分可分為金、銀、銅、鎳、不銹鋼、鎢等纖維。

1.金屬纖維的加工方法

（1）線材拉伸法。指金屬線材經(jīng)過拉伸、熱處理回火、再拉伸、再熱處理回火反復(fù)循環(huán)十余次使線材直徑達(dá)到微米級纖維的加工方法。

（2）熔融紡絲法。將熔融態(tài)金屬由小孔直接擠壓流出，拉伸、擠壓噴射驟冷或離心力甩出驟冷等方法制成的直徑達(dá)到微米級金屬纖維的方法。

（3）金屬涂層法。在金屬纖維或有機(jī)聚合物纖維上鍍連續(xù)金屬薄膜（電鍍、化學(xué)鍍或濺射）所形成的復(fù)合纖維。

（4）膜片法。在有機(jī)聚合物膜上鍍（電鍍、化學(xué)鍍或濺射）連續(xù)金屬薄膜、再切割成狹條后加工而成的纖維。

（5）生長法。在氣相或液相中沉積或析出結(jié)晶生長形成的金屬纖維，這種纖維最細(xì)可達(dá)納米級或亞納米級。

金屬纖維直徑為微米級，如不銹鋼纖維直徑一般為10μm左右，目前市場供應(yīng)的不銹鋼纖維平均直徑為4μm。金屬纖維具有良好的力學(xué)性能，斷裂比強(qiáng)度和拉伸比模量較高，而且可耐彎折、韌性良好；具有很好的導(dǎo)電性，能防靜電，如鎢纖維可用作白熾燈泡的燈絲，同時它也是防電磁輻射和導(dǎo)電及電信號傳輸?shù)闹匾牧希痪哂心透邷匦阅堋２讳P鋼纖維、金纖維、鎳?yán)w維等還具有較好的耐化學(xué)腐蝕性能，空氣中不易氧化等性能。

2.金屬纖維的應(yīng)用

（1）作為智能服裝中電源傳輸和電信號傳輸?shù)膶?dǎo)線。

（2）可作為一般功能性服裝中的抗靜電材料，金屬短纖維混紡比＜10%，金屬纖維長絲混紡比＜2.5%，即可達(dá)到完全消除各種摩擦、感應(yīng)等靜電。這在油、氣田及易燃易爆產(chǎn)品的生產(chǎn)企業(yè)，石油、天然氣等易燃易爆材料的運輸過程，電氣安全操作場所等均很適用。

（3）金屬纖維嵌入織物中，可使其具有良好的電磁屏蔽效果，在軍事、航空、通信及機(jī)密屏蔽環(huán)境等方面具有廣泛應(yīng)用。

（4）可用作化學(xué)藥劑、加工材料、廢液廢水過濾的濾網(wǎng)，高溫粉塵過濾器的濾網(wǎng)以及要求高強(qiáng)、耐磨、導(dǎo)電運輸帶等的材料。

（5）金屬復(fù)合材料中的增強(qiáng)材料，如防爆輪胎、汽車發(fā)動機(jī)的連桿等。

（6）其他特殊材料，如導(dǎo)電紙、白熾燈泡的燈絲等。

四、陶瓷纖維

陶瓷纖維又稱氧化鋁纖維，是一種纖維狀無機(jī)耐火材料，具有重量輕、耐高溫、熱穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱率低、比熱容小、耐機(jī)械振動等優(yōu)點，是一種十分優(yōu)異的產(chǎn)業(yè)用纖維材料。

1.陶瓷纖維的分類和應(yīng)用　熔融的陶瓷材料在驟冷條件下形成玻璃態(tài)的非晶質(zhì)纖維，如在熔點保持足夠的時間，就可變?yōu)槎嗑嗑з|(zhì)纖維。

晶質(zhì)纖維與非晶質(zhì)纖維均屬于Al2O3-SiO2系纖維，Al2O 3含量的不同會得到不同結(jié)構(gòu)性能的陶瓷纖維。Al2O3含量在72%以上的陶瓷纖維稱為晶質(zhì)纖維。

非晶質(zhì)纖維大多用于制造中、低檔陶瓷纖維，使用溫度不超過1300℃。晶質(zhì)纖維用于制造高檔陶瓷纖維，使用溫度為1500～1600℃。

陶瓷纖維的使用形式可以是散纖和各種形式的纖維集合體，可按紡織過程集合，也可借助其他物質(zhì)混合成形。表1-7列舉了不同應(yīng)用形式的陶瓷纖維。

表1-7　按應(yīng)用形式分類的陶瓷纖維

2.化學(xué)組成和性能　陶瓷纖維的化學(xué)成分中，Al2O3、SiO2、ZrO2、Cr2O 3等氧化物是纖維的主要成分，還包括伴隨在原料中的有害雜質(zhì)和纖維生產(chǎn)過程中為改善性質(zhì)而添加的成分，如K2O、Na2O、Fe2O3、TiO2、FeO、CaO、MgO等氧化物，這些雜質(zhì)大多能在高溫時起熔劑的作用，但會損害纖維的耐熱性。不同陶瓷纖維的化學(xué)組成見表1-8。

表1-8　不同陶瓷纖維的化學(xué)組成

在氧化和中性氣氛條件下，陶瓷纖維具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性；在還原性氣氛及真空條件下或含有硫酸鹽、氟化物堿金屬等物質(zhì)的條件下，陶瓷纖維的化學(xué)穩(wěn)定性差。

五、碳纖維

通常將在1000～2300℃范圍內(nèi)炭化得到的纖維稱為碳纖維（CF），將在2300℃以上炭化得到的纖維稱為石墨碳纖維（GPCF）。

碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)固相反應(yīng)轉(zhuǎn)變而成的纖維材料，是一種非金屬材料。碳纖維性能優(yōu)異，拉伸斷裂強(qiáng)度和初始模量分別可達(dá)2～4GPa和400～700GPa，質(zhì)強(qiáng)且輕，具有耐高溫、耐腐蝕、耐輻射等功能。石墨碳纖維有類似于石墨的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電性好并有金屬光澤，含碳量超過98%。

可用于制備碳纖維的聚合物原料有黏膠纖維、聚丙烯腈、瀝青、酚醛樹脂等。其中，聚丙烯腈是制備碳纖維長絲最主要的原料。

用于生產(chǎn)碳纖維的聚丙烯腈纖維和民用的聚丙烯腈纖維不同。為了促進(jìn)預(yù)氧化和環(huán)化交聯(lián)反應(yīng)的實施，用作碳纖維的聚丙烯腈共聚物中還應(yīng)含有丙烯酸、甲基丙烯酸、衣康酸等共聚物，同時相對分子質(zhì)量提高到8萬～10萬。

各種原絲制備的碳纖維性能見表1-9。

表1-9　各種原絲基碳纖維的性能

碳纖維具有許多優(yōu)異的性能。在航天和軍事領(lǐng)域，碳纖維可用來制造航天飛機(jī)的軌道器，火箭和導(dǎo)彈的輕質(zhì)用材，人造衛(wèi)星的各種結(jié)構(gòu)；在航空高新技術(shù)領(lǐng)域，則被用來制造電子對撞機(jī)的構(gòu)件、鈾的分離與濃縮、先進(jìn)客機(jī)制造、戰(zhàn)斗機(jī)輕量化、制動材料等。

六、碳化硅纖維

碳化硅纖維是由碳原子和硅原子通過共價鍵結(jié)合的無機(jī)高聚物纖維。其主要生產(chǎn)方法有前驅(qū)體法、化學(xué)氣相沉積法、超微粉末燒結(jié)法、碳纖維轉(zhuǎn)化法。其中，碳纖維轉(zhuǎn)化法是指活性碳纖維在真空高溫1200～1300℃條件下與SiO2反應(yīng)生成SiC，再在高溫1600℃氮氣條件下熱處理制得。該法得到的碳化硅纖維直徑為20μm，密度為2.1g/cm3。

碳化硅纖維具有很好的耐熱性，在大氣條件下可耐1200～1500℃的高溫，可用于宇宙飛行器上的耐高溫結(jié)構(gòu)部件，在特殊高溫條件下的耐高溫氈墊等領(lǐng)域也有應(yīng)用。

七、玄武巖纖維

玄武巖是火山噴發(fā)形成的火山巖，主要成分是含鈣、鎂、鐵的硅酸鹽或偏硅酸鹽，此外還有一些含鋁、錳、鈦、鈉、鋰等的氧化物。玄武巖在高溫熔融后經(jīng)由耐高溫、耐腐蝕的金和鉑制得的噴絲板孔噴出，紡成長絲。玄武巖纖維具有耐高溫、耐化學(xué)腐蝕、高強(qiáng)、高模、高硬度等特點，最高使用溫度為650℃。

八、硼纖維

硼纖維是一種復(fù)合纖維，它是以鎢纖維、玻璃纖維或碳纖維為芯絲，然后將三氯化硼和氫氣的混合物在1300℃發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的硼原子沉積到芯絲上形成纖維，也可采用乙硼烷熱分解或者熱熔融乙硼烷析出硼，沉積到芯絲上形成硼纖維。

硼纖維具有超高的拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度、良好的耐高溫性。

硼纖維可以與鋁、鎂、鈦等金屬為基體或以高聚物樹脂為基體制成纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，應(yīng)用于航空航天、工業(yè)制品、體育和娛樂等方面。

思考題

1.羊毛的形態(tài)特征有哪些？

2.簡述羊毛卷曲的原因。

3.萊賽爾纖維和普通黏膠纖維的生產(chǎn)工藝有何不同？

4.簡述竹原纖維和竹漿纖維的區(qū)別。

5.半合成纖維有哪幾種？簡述其加工工藝和形態(tài)特征。

6.聚丙烯腈碳纖維的加工工藝有哪些？簡述每一步工藝的意義及其產(chǎn)品的特征。

7.影響玻璃纖維化學(xué)性質(zhì)的因素有哪些？