2004年度中国石油和化学工业协会科技奖励项目推荐（七）
栏目主持：《中国化工信息》周刊、中国石油和化学工业协会科技办
四脚状氧化锌晶须及其增强环氧复合材料
陈尔凡
晶须是缺陷极少的一类丝状单晶体，其强度和模量接近理想晶
体材料的理论值，是目前发现的最强固体形式，是一类力学性能十分
优异的新型复合材料的功能性补强增韧剂。四脚状氧化锌（T-ZnO）
晶须是目前晶须家族中惟一具有规整三维空间结构的晶须，可广泛应
用于增强复合材料、耐磨及防滑材料、抗静电及导电高分子复合材料、
减振抗冲及隔音材料、陶瓷复合材料、涂料等领域中。
T-ZnO晶须的特点
T-ZnO晶须晶体结构属于六方晶系纤锌矿结构，与其他ZnO晶
体相同。T-ZnO晶须的一般物理性质见表1。
表1 T-ZnO晶须的物理性质
分子式 ZnO
形状 四脚状
比重 5.78
表观体积比重 0.05～0.5
沸点/℃ 1720
基部直径/μm 0.14～14
针状部位长度/μm 3～300
体积电阻系数/Ω·cm 7.14
热膨胀率/℃-1 4×10-6
杨氏模量/GPa 100
弹性应变/% 3.3
T-ZnO晶须作为聚合物基复合材料的增强体有如下特点：①T-
ZnO晶须宏观上为白色松软状物质,微观具有四脚状三维结构,其长径
比一般为几十,任意两针间夹角为109°,作为增强体能赋予其补强增
韧的复合材料的机械等性能呈各向同性；②一般晶须增强体为线性或
球形,与基体间存在着界面问题,而T-ZnO晶须的分叉树根结构不易从
基体抽出,可消除一些相容性所带来的问题;③T-ZnO是半导体(体积
电阻率7.14Ω·cm),所制备的聚合物基复合材料具有较好的抗静电
性;④T-ZnO晶须在紫外光区(波长200～400nm)具有显著的吸收特性,
可改善聚合物基复合材料的抗老化性;⑤T-ZnO晶须的比重为5.78,可
用作隔音减振材料的添料;⑥T-ZnO晶须的杨氏模量为100GPa,可大幅
度提高复合材料的力学性能,对材料有增韧作用。
T-ZnO晶须增强
环氧复合材料的研究
环氧复合材料因性能的多变性、抗腐蚀、质轻、绝缘、生产及
加工简便、价廉，应用日趋广泛。但其强度、特别是韧性不足及易产
生静电等缺点，限制其大规模应用。因此，增强、增韧及抗静电等已
成环氧复合材料研究的热点。
本项目组较详尽地研究了T-ZnO晶须及其增强环氧复合材料，
发明了多孔性模型催化剂；制得了规整度及收率均大于95%的T-ZnO
晶须；用T-ZnO晶须为增强体，以环氧树脂为高分子基体研究了复合
材料及T-ZnO对其作用。
结果表明，T-ZnO晶须有较高的触变性，为复合材料的设计及加
工提供了方便；填加体积分数为6%时，可使材料的拉伸强度提高69%、
冲击强度提高200%、抗弯断裂功提高58%；偶联剂KH-560可在晶须
与基体间形成有效层，起到桥接基体与晶须和吸收能量的作用，有利
T-ZnO晶须增强增韧作用；T-ZnO复合材料破坏以脱粘为主；T-ZnO
晶须具有半导体性，在环氧复合材料中以价带传导电核，起到抗静电
作用，材料电阻率下降8个数量级。
T-ZnO晶须增强
复合材料应用领域
T-ZnO晶须的主要用途是用作复合材料的骨架增强。由于晶须
的高强度及高模量，作为增强剂可使复合材料的强度及模量得以显著
提高。而T-ZnO晶须的独特的三维结构，与基体间的抓着力更大，增
强效果更明显。如：含30% T-ZnO晶须的聚对苯二甲酸丁二醇酯的弯
曲强度可达98MPa；含10% T-ZnO晶须的聚丙烯的抗张强度可提高
10%，且力学性能表现为各向同性。本实验室用6%（体积分数）的T-
ZnO晶须增强环氧树脂复合材料，其三个方向的拉伸强度均提高69%。
T-ZnO晶须除可较大幅度提高复合材料的力学性能外，还可赋
予材料功能性。①抗静电性：ZnO本身是n型半导体，加之四脚状三
维结构，将其分散在基体中时，邻接各针状部位相互搭接形成导电通
路，从而使高分子材料具有一定的抗静电性。如M·Oku将T-ZnO晶
须添加到聚丙烯中，制备抗静电、隔尘的包装材料。②吸音和减振：
T-ZnO晶须被用作吸声材料时，由于其高比重和压电性导致较大的能
量损耗，从而表现出良好的隔声、减振效果，可用来制造音乐器材及
电视、音响设备的内部骨架和外壳。③提高材料的耐老化性：T-ZnO
晶须具有吸收紫外线的特性，其用于树脂基体中，可吸收紫外线，并
将其转化成热能，从而提高复合材料的耐紫外线老化性能。如尼龙66
中添加30%的T-ZnO晶须制得的材料暴露在紫外线中500h后仍保持
白色，还可利用其吸收2～3GHz微波的特点，来生产高频导热焊接树
脂管。④耐热性能：T-ZnO晶须本身是耐热性极好的无机材料，将其
填充到高分子基体中，可使复合材料的耐热性得以提高。在热塑性树
脂PEEK中填加5%的T-ZnO晶须，热变形温度由150℃提高到183℃
以上。
此外，T-ZnO晶须还有很多其他用途，如可提高粘合剂的粘接
强度，改善涂料的强度、触变性、机械性能及防锈、抗冲击等性能，
用于制备抗菌、脱臭材料及活性污泥的沉降剂等，增强陶瓷和金属等
方面。目前，沈阳化工学院正在进行T-ZnO晶须的产业化，已建立了
一条10t/a的中试生产线。
（本项目获科技进步三等奖）