无机晶须在聚合物中的应用

综述与专论

无机晶须在聚合物中的应用

孟季茹 赵 磊 梁国正 贾巧英(西北工业大学化学工程系,陕西西安,710072)

摘 要 本文针对无机晶须的各种优异性能,对钛酸钾晶须、硼酸铝晶须、氧化锌晶须、镁盐晶须、硫酸钙晶须、碳酸钙晶须等在聚合物中用于增强、增韧及提高耐磨性、耐热性,改善电性能、减振抗冲、隔音以及改善加工性能等方面的情况进行了详细的综述。

关键词 晶须,聚合物,增强增韧,耐热,耐磨,电性能,减振

The applications of inorganic whiskers in polymers

M eng Jiru Zhao Lei Liang Guozheng Jia Qiaoying (Department of Chem ical Eng ing eering ,Northwestern Polytechnical

University,Xi .an ,Shanxi 710072)

Abstract Some inorg anic whiskers such as potassium titanate,aluminum borate,zinc ox ide,magnesium

hydrox ide sulfate hydrate,calcium sulfate,calcium carbonate,and so on,and their applications in reinforcing and toughing poly mers,improving wearable resistance,thermal,electrical properties and the pr ocessibility of the mater-i als,and decreasing vibr ation w ere review ed in detail.

Key words whisker,polymer,reinforcement and toughness,thermal property ,w ear able r esi stance,elec -trical property,decrease of v ibration

晶须是以无机物(金属、氧化物、碳化物、卤化物、氮化物、无机盐类、石墨等)和有机聚合物等中的可结晶物为原材料,通过人为控制,以单晶形式生长的形状类似于短纤维,而尺寸远小于短纤维的须状单晶体。由于晶须在结晶时原子结构排列高度有序,使其内部存在的缺陷很少,因而它的强度接近于材料原子间价键的理论强度,远超过目前大量使用的各种增强剂[1]。

晶须的工业化虽已有近40年的历史,但它被大量应用却较晚,以80年代相对廉价的钛酸钾晶

须在日本的问世为标志。随后相继开发了硫酸钙、碳酸钙、硼酸铝、氧化锌等晶须。虽然截止目前为止,已合成约近百种晶须,但投入工业化生产的仅有SiC 、Si 3N 4、T iN 、Al 2O 3、钛酸钾、碳酸钙、硫酸钙、氧化锌等一些少量品种。

1 晶须的主要品种

晶须可分为有机晶须和无机晶须两大类。其中有机晶须主要有纤维素晶须、聚(丙烯酸丁酯-苯乙烯)晶须、聚(4-羟基苯甲酸酯)(PHB)等几种类

作者简介:孟季茹,女,1975年生,西北工业大学化学工程系高分子材料专业在读博士生,主要从事高性能高分子材料及复合材料的研究

工作,已发表论文30余篇。

第29卷第12期化工新型材料V ol 129N o 112

2001年12月

N EW CHEM ICAL M AT ERIAL S

Dec 12001

型,在聚合物中的应用较多。无机晶须主要包括陶瓷质晶须、无机盐晶须和金属晶须等,其中在聚合物中应用较多的应属前两类,金属晶须主要用于金属基复合材料中。表1为一些常见晶须的主要性能。

表1几种主要晶须的性能

晶须密度/(g/cm3)直径/L m长度/L m抗拉强度/GPa弹性模量/GPa莫氏硬度热膨胀系数/(10-6/e)熔点/e耐热性/e SiC31180105~75~20021490941026901600 S i3N4312011~1165~2001438031019001700 K6T i13O6313011~11510~1007280461813701200 Al18B4O332193015~110~208400741219501200 ZnO517852~3001035044101720

M gO316310~10200~3001~8131528502800 Al2O33196214302040

CaSO421691~4100~20020151783~41450

Kevlar1145459~134500

CF1174311230450

GF216021770750

111陶瓷质晶须

陶瓷质晶须的强度和耐热性优于无机盐晶须和金属晶须,是无机晶须中较为重要的一大类。它包括SiC晶须、Si3N4晶须、莫来石晶须、钛酸钾晶须、硼酸铝晶须、ZnO晶须、M gO晶须等[2]。11111SiC晶须

作为增强材料的碳化硅晶须,是由碳化硅纤维与氧化铝粉末经过混合、烧结制得的,也可采用稻壳制备。碳化硅晶须有A型和B型之分,但一般工业中多使用B型SiC晶须。SiC晶须的弹性模量、强度、硬度比许多其它晶须要高,且有更好的化学稳定性,更优良的耐磨、耐蚀及抗高温氧化性,堪称/晶须之王0。但SiC目前主要应用于金属基复合材料,在聚合物基复合材料中的应用相对甚少,且SiC晶须的价格昂贵,限制了它的应用。

11112钛酸钾晶须

钛酸钾晶须首先是由美国杜邦公司于1958年开发的,它的性能随着组成的变化而不同。其中四钛酸钾K2014TiO2具有很好的化学活性;六钛酸钾K2016TiO2具有优良的力学性能、物理性能,稳定的化学性质,优异的耐腐蚀性、耐热隔热性、耐磨性、润滑性,高的电气绝缘性,并具有红外反射率高,高温下导热系数极低,硬度低等特点,因而这两种钛酸钾晶须的实用价值最大,应用最多。与其它晶须相比,钛酸钾晶须的强度和模量相对较低,但因其价格极为低廉、制成的复合材料易加工,因而被广泛应用于聚合物基复合材料中。11113硼酸铝晶须

硼酸铝晶须的组成式为xAl2O31yB2O3,其种类根据x和y值的不同而不同。最为常见有三种形态: x=9,y=2;x=2,y=1;x=1,y=1。工业化的硼酸铝晶须主要是指第一种形态的晶须,该类晶须主要是由人工制备。第二种形态同样也是人工产品,而第三种形态存在于天然矿物中。硼酸铝晶须是一类新兴的无机晶须,它具有较高的性能价格比。硼酸铝晶须的性能优点主要表现在以下几个方面:

(1)其弹性模量高于SiC、Si3N4晶须,用它制的铝基复合材料的强度、模量、热膨胀系数等均可与SiC、Si3N4的铝基复合材料相媲美;

(2)它的抗张强度高于钛酸钾晶须;

(3)尺寸小,直径015~1L m,长度10~30L m;

(4)硬度相对SiC、Si3N4晶须要低;

(5)耐热性较高,与钛酸钾晶须相当;

(6)含有较高的氧化铝,与金属,特别是铝的共价性好,广泛应用于铝基复合材料中;

(7)其价格仅为SiC晶须或Si3N4晶须价格的1/10~1/30左右。

此外硼酸铝晶须具有优异的耐磨减磨性能、耐火阻燃性等,具有较大的应用前景[3]。

11114ZnO晶须

ZnO晶须的研究工作始于80年代后期,它有针状和多角状两大类。但一般晶须都是一维线形针状体,主要用作复合材料增强体;ZnO晶须的形状则不同,它为立体四针状单晶体。因此,ZnO 晶须也具有其独特的性能。多角状ZnO晶须具有

#2#化工新型材料第29卷