晶须——新型塑料改性材料添加剂（下）
王  熺
（上接第6期A12版）
硼酸铝晶须
    硼酸铝晶须是通过人工控制得到的针状单晶纤维，属于正交系结
构的晶体，由A12O3与B2O3以一定的比例结合得到，一般式为
nAl2O3·mB2O3。这种晶须具有高的弹性模量、良好的机械强度、耐
热性、耐化学药品性、耐酸性、电绝缘性、中子吸收性能、与金属共
价性等特点，不仅可以用于绝热、耐热和耐腐材料，也可用作热塑性
树脂、热固性树脂、水泥、陶瓷和金属的补强剂。硼酸铝的价格较低，
仅为碳化硅晶须的1/10～1/30，是1种有很大市场潜力的新型晶须
材料，主要用于轻金属合金、陶瓷材料、树脂基复合材料以及涂料等
的增强方面。工业生产的硼酸铝晶须一般指9Al2O3·2B2O3，合成方
法有熔融法、气相法、内部助溶剂法、外部助溶剂法、水热法等，其
中外部助溶剂法反应温度低、能耗低、收率高，较适合工业化生产。
    增强高分子材料是当前硼酸铝晶须开发研究的热点之一，目前研
究使用的基体树脂主要包括PP、PE、PVC、PS、PC、PA、聚酰亚胺、
聚苯硫醚等，制得的复合材料具有优异的强度、刚度、耐磨性、耐冲
击性及润滑性能，可广泛用于汽车刹车片、离合器衬片、滑轮、轴承
等，也可以做成体育运动器件。
    硼酸铝晶须最早由日本四国化成和四国工业技术研究所共同研究
开发成功，并在四国化成的九龟工厂投产，设计生产能力20t/a，1989
年6月有产品销售，1995年形成200t/a生产规模，产品分G、Y、S1、
S2、S3五个等级。Y级产品（价格约为2200日元/kg）于1991年夏
季开始用于塑料补强，该产品基本特性和G级产品（价格约为3500
日元/kg）相同，不过晶须凝聚性较低，在塑料中的分散性更好，混
炼也更加容易；S级产品针对需要改性的塑料种类和应用不同，采用
偶联剂进行了表面处理，其中S1和S3用氨基硅烷系偶联剂处理，S2
用环氧硅烷系偶联剂处理，价格约为4000日元/kg。
    国内硼酸铝晶须的合成和开发研究起步较晚，但发展异常迅速。
赵宽放等人(CNl093065A)对各种简单铝化合物和硼化合物制备硼酸铝
晶须进行了系统的研究，李武等人开发出硼酸铝晶须的工业化生产技
术。1996年，中科院盐湖研究所承担完成了青海省科技攻关项目“硼
酸铝晶须新材料研制”；1999年，青海海兴公司承担并完成了“100
吨级硼酸铝晶须工业性试验及下游产品开发”项目，该项目已通过国
家验收。目前，晶须产品正逐步推向市场。另外，东北大学等也在近
年来参与这一研究。
    国内硼酸铝晶须增强复合材料方面的研究领先于晶须的合成研
究，初期主要通过购买日本产的晶须进行研究工作，哈尔滨工业大学、
中科院沈阳金属研究所、中科院上海硅酸盐研究所、清华大学、上海
交通大学、浙江大学等单位均曾涉足该领域的研究工作，取得了丰硕
的研究成果。
    目前，我国在硼酸铝晶须的合成、增强增韧复合材料、产业化等
方面都具备相当的实力，可以预期，在不远的将来，硼酸铝晶须将会
在增强金属基(铝基、镁基)、陶瓷基、塑料、玻璃、纤维、涂料等方
面，得到非常广泛的应用。
硼酸镁晶须
    硼酸镁晶须亦称焦硼酸镁晶须，分子式为Mg2B2O5，于1953年
作为天然矿物“Suanite”在韩国南部首次被发现。目前，天津海水
淡化与综合利用研究所李慧青等人与日本合作开发出以廉价海盐化工
产品为主要原料的硼酸镁晶须生产工艺。硼酸镁晶须耐强碱，能很好
地分散在有机或无机溶液中，可作进一步表面处理，生产原料价廉易
得、生产工艺相对简单、设备性能要求适中、操作技术容易掌握，因
而成本比较低廉，接近民用承受力。由此可见，硼酸镁晶须将是继硼
酸铝晶须之后的又一种高性价比晶须产品，具有相当广泛的应用潜
力。
    硼酸镁晶须的制备，主要有2种方法。①以氧化镁、硼酸为原料，
经均匀混合后，在氯化钾助熔剂存在下进行熔融，得到不含块状物的
晶须，晶须大小采用添加晶种的方式进行控制；②以氯化镁和硼酸为
原料，经充分混合，添加适量水混炼成型，在750～950℃的温度下，
加热l～50h，使晶须成长，得到的硼酸镁晶须生成物冷却后用水处
理即可。
    硼酸镁晶须具有优良的力学和耐热性能，可以用于铝、镁及合金
和工程塑料的增强。哈尔滨工业大学、上海交通大学、辽宁大学等单
位都开展过硼酸镁晶须增强金属基和塑料复合材料的研究，取得了令
人满意的效果。
    硼酸镁晶须不仅在增强复合材料时表现出良好增强性能，而且具
有轻质、高韧、耐磨、耐腐蚀等特点，可以应用于许多场合，如发动
机活塞、连杆、压缩机汽缸、汽车刹车片和离合器的衬片等耐热、耐
磨部件；滑轮、凸轮、轴承、拉锁及体育用品等耐磨部件。此外，硼
酸镁晶须增强塑料成型流动性好，接近于无填充树脂，晶须可到达部
件的任意角落，且表面平洁光滑、成型精度高、部件尺寸稳定性强，
因此也可以用于制造精小零部件和超薄壁零部件，如手表、照相机等
的内部塑件等。
    目前的研究结果表明，增强塑料方面，硼酸镁晶须比钛酸钾晶须
具有更好的性能；增强镁、铝基金属材料时，硼酸镁晶须可提高弹性
模量10%～50%。可以预见，硼酸镁晶须将以其高的性价比，出现在
复合材料市场上，在航天航空先进复合材料技术的民用化进程中，硼
酸镁晶须增强材料将占有重要地位。
碳酸钙晶须
    碳酸钙有方解石型、文石型和霰球石型等多种晶型，不过文石型
碳酸钙具有晶须特征。文石型碳酸钙晶须是1种针状材料，主要特点
是强度高、模量高、隔热性好、线膨胀系数与高分子材料的相近以及
高分子基体相容性好等。
    碳酸钙晶须制备方法归纳起来有如下4种：①用可溶性Ca2+盐
与CO2-盐制备，②用Ca(HCO3)2制备，③尿素水解法制备，④
Ca(OH)2-CO2气液反应法制备，其中②④较为实用，可以用于大批量
工业化生产。
    碳酸钙晶须的生产工艺简单，成本低廉，在塑料工业中有广泛应
用前景；而且由于其具有较大的比表面积，用于造纸领域时还能够增
强纸张的着色能力。碳酸钙晶须的热稳定性优良，热分析表明其在低
于800℃时不会发生分解，可以满足多种领域的应用。碳酸钙晶须长
径比远小于常用无机短纤维，制得的增强塑料具有优良的加工流动
性，制件表面光洁度高；而且由于其纤维状的形状特点，制件可获得
优越的弯曲弹性模量、弯曲强度和尺寸稳定性。可以预测，碳酸钙晶
须将以其价格低廉的优势，迅速推广应用于汽车、电子电气、仪器仪
表等诸多领域。
    碳酸钙晶须的开发研究工作以日本最为活跃，日本九尾钙株式会
社已经开发出可用于塑料增强用碳酸钙晶须。近年来，国内西安交通
大学等单位也涉足这一领域。
硫酸镁晶须
    硫酸镁晶须是指水合碱式硫酸镁晶须（MgSO4·5Mg(0H)2·3H2O）。
与其他晶须材料相似，硫酸镁晶须也是一种尺寸细小的白色针状单晶
纤维，具有优异的力学性能；此外，其还具有无毒、发烟量小、阻燃
等特性。将硫酸镁晶须添加到塑料、橡胶等基体中制备复合材料时，
晶须不仅能够发挥补强增韧的作用，还可赋予复合材料阻燃性能，达
到增强、阻燃的双重效果，将会对防火要求越来越严格的建筑行业产
生深远影响。
   此外，石墨、石膏、氧化镁、钛酸钡、硼化钛、氧化钛、氮化铝
晶须等也都可以用来填充高分子材料，改善高分子材料的力学性能或
赋予其以特殊性能。此处不再一一介绍。
    迄今为止，材料科研人员已经研究开发出上百种晶须，包括金属、
氧化物、碳化物、氮化物、硼化物以及无机盐等各类产品。目前，虽
然晶须在高分子材料改性的研究已经取得了较大进展，但仍存在很大
不足。①晶须制备技术不甚完善，生产成本偏高，限制了其推广使用；
②对晶须材料表面性能的知识欠缺，表面仍主要沿用传统的偶联剂处
理方法，影响了晶须与基体之间的界面粘接，晶须的性能优势不能得
到充分发挥；③晶须在表面处理及与基体混合过程中存在不同程度的
折断现象，因此晶须与基体的复合工艺也有待进一步探索；④晶须在
高性能热固性树脂中的应用研究较少，研究工作急待展开。
    从上面分析可以看出，晶须具有极其优异的性能，其在树脂复合
材料领域的应用有着强大的生命力。若能使其优异性能在高分子材料
的改性研究中得到充分发挥，开发制备出高性能的晶须增强树脂复合
材料，无疑会对塑料工业的发展产生巨大的影响。目前，美、英、法、
德、日等发达国家均在先进复合材料的研究与开发上投人大量人力物
力，已经取得了明显社会效益，加强晶须的合成与应用研究，对提高
我国先进复合材料的水平，增强国际竞争能力和军事实力将具有重要
意义。（全文完）