晶须——新型塑料改性材料添加剂（上）
王 熺
目前，高分子材料已经在各行各业中得到越来越广泛的应用，不
过耐热性不足、尺寸稳定性欠佳、高温条件下力学性能下降较快等不
足也限制了其在某些特殊场合的应用。晶须是近年发展起来的1种新
型高性能针状单晶纤维增强材料，直径为零点几至几微米，长度为几
微米至数百微米。由于单晶中原子排列非常规整，晶体结构十分完整，
几乎不存在多晶材料中的各种缺陷，因而具有惊人的力学强度，作为
塑料、金属和陶瓷等材料的改性添加剂时，表现出极佳的物理化学性
质和优异的机械性能。近年，晶须增强高分子材料越来越受到关注，
现已成为树脂基复合材料发展的新方向之一。
晶须特征
晶须是在人工控制条件下以单晶结构形式生长的尺寸细小(直径
小于3μm)的高纯度针状纤维材料。晶须的直径细小，原子排列高度
有序，内部缺陷较少，强度接近材料原子间键作用力的理论值，是1
种高性能的增强材料。
晶须与其他纤维状增强材料相比，具有2个明显特征：①外形方
面，晶须的几何尺寸细小，长径比较大。由于材料内部出现结构缺陷
的几率与尺寸成正比，由此不难推断，晶须是1种内部缺陷较少、强
度很高的材料。晶须作为填充材料，不仅可以增强，而且对基体材料
的影响较小，从而实现显微增强，制品呈各向同性、表面质量高。②
结构方面晶须是高纯度的单晶体，原子排列高度有序，结晶完善，是
1种高强度、高模量、耐热、耐磨的高性能新型增强材料。
因此，与常用的增强剂相比，晶须具有机械强度高、显微增强和
填充能力，而且可以赋予制品优良的表面光洁性和极高的尺寸精度和
稳定性。
晶须种类
高分子材料改性使用的晶须主要有聚合物晶须、陶瓷晶须以及无
机盐晶须3类。
聚合物晶须包括自然界存在的天然晶须（如天然纤维素晶须）和
人工控制生长的晶须（如聚甲醛晶须和各种聚酯晶须等）。这些晶须
的外观特征与其他晶须一样，呈微细的针状结构，表面光滑。人工控
制生长的聚合物晶须一般是在弱极性溶剂、体系浓度小(<5%)、搅拌
速度低(最好为零)的条件下结晶得到，是聚合物链沿晶须轴向紧密堆
砌而成，结晶度非常高，是聚合物结晶体系中物理、化学结构最完美
的结晶形式，具有很高的强度、模量以及优良的耐热性，是聚合物基
复合材料的理想增强材料之一。
陶瓷质晶须主要指各种氧化物、碳化物、氮化物及石墨等晶须，
与其他晶须相比，具有更高的强度、模量及耐热性等特点。
无机盐晶须主要是指各种硫酸盐以及碳酸盐晶须等，与其他晶须
相比，价格相对较低、性价比较高，是高分子材料改性中应用前景最
为广泛的晶须材料。本文主要对这类晶须的研究和开发情况作一简要
介绍。
钛酸钾晶须
钛酸钾晶须是分子式为k2o·ntio2的人工矿物，其中n=2,4时
为层状结构，n=6,8时为隧道式结构。一般常用的钛酸钾晶须n=6。
钛酸钾晶须具有优良的绝热性、耐化学药品性、耐磨耗性、低热
导率和高红外线反射率，可用作绝热材料、电绝缘材料、催化剂载体、
过滤材料、摩擦材料等。此外，表面用sb/sno2进行导电性处理后，
可用作导电材料、离子交换材料和吸附剂。不过，其最诱人的应用潜
力依然是复合材料的增强。
钛酸钾晶须由美国杜邦公司在1958年前后开发，最初作为耐热
绝缘材料，后被制成耐热涂料用于导弹喷嘴。20世纪七、八十年代，
日本在这方面作了大量研究开发工作，取得显著的成绩，研究成果大
多以专利的形式公诸于世。20世纪90年代开始，日本在钛酸钾晶须
生产及应用研究的垄断地位才逐渐被打破。目前，我国和韩国等的一
些单位已涉足该领域，沈阳金建公司和沈阳科金公司均有钛酸钾晶须
产品。近年，钛酸钾晶须在生产成本方面取得了较大突破，加之性能
十分优越而愈来愈受到关注。
作为高分子材料的补强增韧剂，钛酸钾晶须不仅可以明显改善材
料的耐磨、防滑及尺寸稳定性等性能，而且由于硬度较低(莫氏硬度
仅为4)，对成型加工设备与模具的磨损也较小。目前，钛酸钾晶须
已广泛用于pp、pvc、pa、pc、ptfe、pes(聚醚砜)以及橡胶等的增
强。
钛酸钾晶须的制备方法主要有烧结法、熔融法、助溶剂法、水热
法等，其中常用的n=6的钛酸钾晶须大部分是采用助溶剂法制备。不
过专家认为，慢冷烧结法更适合于工业化生产。
钛酸钾晶须的低成本制造、高性能化表面处理、低损伤加工工艺
将是今后钛酸钾晶须研究工作的重点。目前，日本的钛酸钾晶须成本
价格约为1.5万美元/t，我国相对较低，约为l万美元/t，不过就我
国国情来看，此价格还难以为广大用户接受。我国具有丰富的铁矿资
源和钛白粉生产厂家，如何充分利用这些条件，开发投资少、生产能
耗低、产品性能好的新型钛酸钾晶须生产工艺，已成当务之急。
碳化硅晶须
碳化硅晶须(sicw)是目前已经合成出的晶须中硬度最高、模量最
大、抗拉强度最大、耐热温度最高的晶须产品，分为α型和β型两种
形式，其中β型性能优于α型。
sicw是极端各向异性生长的晶体，是在sic粒子的基础上通过
催化剂作用，沿面生长的短纤维晶体，目前生产方法大体有气相反应
法和固体材料法2种，其中固体材料法更为经济，更加适合工业化生
产。
日本和美国对sicw的合成表现出很高的热情，在降低成本和提
高质量方面开展了大量研究工作。美国的ramsey等人以稻壳中的无
定型氧化硅为硅源(由燃烧碳化稻壳获得)，分别与粉碎的碳化稻壳和
粉状石油焦混合，烧结生产出sicw产品；j.v.milewski等人用vls
法，用ch4·h2气体，使sio2与c生成的sio在反应室中用30*9滋
m铁粉作催化剂，合成出高纯度的sicw。日本的tanaka等人经酸煮
稻壳、除杂、碳化、烧结等步骤制得了高纯度sicw产品；另外，日
本三井东压株式会社、东海石墨株式会社、神户制钢所等进行了相关
研究开发工作。目前，国外从事sicw研究和生产的单位已有十几家，
主要集中在美国和日本，其中规模较大、产量较稳定的有4家。
国内sicw的合成研究工作起步较晚。1986年，中科院沈阳金属
研究所承担国家“863”高技术项目，采用sio2和炭黑反应方法合成
sicw；1991年中国矿业大学和中科院上海硅酸盐研究所也承担了
“863”高技术项目，分别以稻壳为原料和炭黑与sio2为原料合成
sicw。现已形成分别以炭黑加sio2和稻壳为原料的2大系列合成工
艺。遗憾的是，目前工艺仍处于实验室阶段。
同sicw的生产一样，sicw增强复合材料的研究工作也主要集中
在美国和日本。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、清华大学等单位也开展了这方面的研究工作，取得
了一些重大进展。
氧化锌晶须
氧化锌晶须按结构形态不同可分为针状晶须和立体四角状晶须。
前者与其他针状晶须一样，主要用作复合材料增强剂；后者因结构独
特，除用于增强，还用于制备功能性复合材料，如利用氧化锌自身的
半导体特性制造具有导电或电磁屏蔽等性能的电子元器件或借助氧化
锌晶须的低体积电阻率、高密度与低表观密度等性能制备具有吸声减
振性能的新型材料。
四角状氧化锌晶须(简称t-znow)是20世纪40年代发现的、迄
今为止唯一具有三维立体结构的晶须。20世纪80年代中期以来，许
多科研工作者对其进行了广泛而深入的研究，申请了一大批相关专
利。t-znow具有高度规整的三维立体结构，增强高分子材料时可将
从中心伸出的4个针状体直接插入聚合物内部，因而制得各向同性更
高的复合材料；而且，由于t-znow是在4个不同的方向与聚合物接
触，达到同样的增强效果所需的添加量较少。
目前市场上有两家的产品比较成熟，一家是日本松下电器公司，
另一家则是成都交大晶宇科技有限公司。
硫酸钙晶须
硫酸钙晶须不是一种严格意义上的晶须，而是内部存在结晶
不完善的多晶体，由于其多项性能接近于晶须的性能，因此研究者仍
将其列入晶须之列。硫酸钙晶须属于石膏深加工产品，又名石膏晶须，
价格相当低廉，是目前晶须产品中价格最低的。硫酸钙晶须具有化学
稳定性好、耐高温、对人体伤害小等性能，可以代替石棉使用。与其
他晶须相比，硫酸钙晶须的长径比更大，更适用于高分子材料的补强
增韧，可广泛用于塑料、橡胶、胶粘剂、涂料、水泥、造纸及摩擦材
料等行业。（未完待续）