晶須是一種針狀單晶體材料，晶須是以無機物（金屬、氧化物、碳化物、氮化物、無機鹽類、石墨等）和有機聚合物等中的可結晶物為原材料，通過人為控制，以單晶形式生長的形狀類似于短纖維，而尺寸遠小于短纖維的須狀單晶體。其直徑極小，是亞微米和納米級尺寸長度為幾微米至數百微米。在單晶體中有高度有序的原子排列結構，幾乎沒有多晶材料中存在的各種缺陷。由于其晶體結構十分完整，使其具有驚人的力學強度，作為塑料、涂料和陶瓷等材料的改性添加劑，顯示出極優良的物理化學性質和優異的機械性能。

　　 1 晶須材料特點

　　1.1晶須的分類

　　從1948年美國貝爾電話公司的科學家首次發現晶須以來，迄今為止材料學家們研究開發出了數百種晶須，有金屬、氧化物、碳化物、氮化物、硼化物以及無機鹽等類晶須。

　　晶須材料可分為有機晶須和無機晶須兩大類。其中有機晶須主要有纖維素晶須、聚（丙烯酸丁酯-苯乙烯）晶須、聚（4-羥基苯甲酸酯）（PHB）晶須等幾種類型，在聚合物中應用較多。無機晶須主要包括非金屬晶須和金屬晶須兩類，其中在聚合物材料中應用較多的是非金屬晶須，金屬晶須主要用于金屬基復合材料中。

　　非金屬晶須中的陶瓷質晶須的強度和耐熱性優于金屬晶須，是無機晶須中較為重要的一類。它包括炭化硅晶須、氮化硅晶須、莫來石晶須、鈦酸鉀晶須、硼酸鋁晶須、氧化鋅晶須、氧化鎂晶須、硫酸鈣晶須、碳酸鈣晶須和鎂鹽晶須等。而能應用于阻燃防火場合的多是此類晶須。

　　1.2 晶須的性質特點

　　1.2.1具有優良的力學性質

　　（1）很高的斷裂強度和彈性模量。晶須作為細微的單晶體，內部結構十分完整。具有非常堅韌的性質，其抗張強度為玻璃纖維的5-10倍。晶須能彈性地承受較大的應變而無永久變形，晶須經4%的應變還在彈性范圍內，不產生永久形變，而塊狀晶體的彈性變形范圍卻小于0.1%。

　�。�2）晶須的耐高溫性。晶須具有不會引起高溫滑移的完整性，溫度升高時，晶須不分解、不軟化，其強度幾乎沒有損失。所以這個特性使其在防火材料中的應用成為可能。

　　（3）晶須具有相當大的長徑比。晶須的橫斷面多具有六角形、斜方形、三角形或薄帶形，不同于玻璃纖維或硼纖維具有圓形橫斷面，大大增加了長徑比。能滿足增強塑料、防火板材時長徑比（30-100）的要求，這樣能使復合材料獲得很高的強度和性能。

　�。�4）晶須無疲勞效應。晶須沒有明顯的疲勞特征，即使被磨成粉末、切斷，其強度也不受損失。

　　1.2.2良好的相容性

　　晶須的尺寸細微，不影響復合材料成型流動性，接近于無填充的樹脂。晶須可在有機基體中分布的很均勻，即使是極薄、極狹小甚至邊角部位都能得到增強填充。

　　1.2.3優良平滑性及化學穩定性

　　晶須增強工程塑料膨脹系數及成型收縮率小，有極高的尺寸精度和光潔的平滑表面，遠遠超過碳纖維和玻璃纖維增強材料制品。

　　1.2.4再生性能好

　　用晶須增強的復合材料有良好的重復使用性。實驗表明：材料經多次加工，力學性能變化也不大，再生使用性能很好。

　　作為新型增強材料的晶須，像硅酸鈣、硫酸鈣、硫酸鎂晶須、氫氧化鎂、水合堿式硫酸鎂等晶須，由于它們的阻燃性、防火性、安全性和反復利用性好，在目前對材料的環境要求越來越高的大形式下，我們都對它們的功能和使用寄以厚望。

　　2、鎂鹽晶須材料的應用

　　2.1鎂鹽晶須合成和性質

　　鎂鹽晶須（簡稱MOS），是高性能無機阻燃增強材料。鎂鹽晶須一般以氧化鎂或氫氧化鎂和硫酸鎂為原料，將氫氧化鎂或氧化鎂分散在硫酸鎂水溶液中，加壓并加熱至170～270℃進行水熱合成反應，將生成物洗滌、脫水、燒成，得到鎂鹽晶須。采用該法對擴大生產規模有固難，成本亦高。上述方法的改進采用特定性狀的氧化鎂粉末（表觀密度0.7以上，粒徑100μm以下，純度95%以上），將其分散在可溶性硫酸鹽水溶液中，制成含氧化鎂10%以下（最好5%）的料漿，在充分攪拌下加熱到60℃以上，生成蠶繭狀堿式硫酸鎂。經強剪切力作用，使生成物破碎，解纖，再經過濾回收、干燥、粉碎，得到纖維狀鎂鹽晶須.

圖1 鎂鹽晶須的電子衍射譜圖

　　晶須存在的主要形式有MgSO4·5Mg(OH)2·3H2O和2MgSO4·Mg(OH)2·3H2O。通過鎂鹽晶須產物的電子衍射譜圖（見圖1）分析可知，其結構式為MgSO4·5Mg(OH)2·3H2O，該晶須的一些基本性能和基本形狀如表1、圖2所示。

　　表1  鎂鹽晶須主要特性

外觀：	白色粉末	顯微形貌：	單晶纖維狀
直徑：	0.8-1.2 mm	長度：	20-200 mm
比重：	2.3g/cm3	含水率：	≤1%
絕緣破壞強度：	6.85kV/mm	PH值：	9.5
拉伸強度：	400 MPa	吸油量：	500ml/100g
體積阻抗：	2.4×1014Ωcm	折射率：	1.53
介電常數：	2.9-3.8	親和性：	親水、有機溶劑

　　2.2 鎂鹽晶須的主要用途

　　2.2.1補強阻燃塑料

　　鎂鹽晶須加入各種塑料，有很明顯的補強效果，適合于通用塑料增強和阻燃使用。

　　2.2.1.1 鎂鹽晶須對材料拉伸性能的影響

圖3  鎂鹽晶須含量對塑料復合材料拉伸性能的影響

　　由圖3可知，隨著鎂鹽晶須含量的增加，塑料復合材料的拉伸強度逐漸升高，當鎂鹽晶須的含量達到40%時拉伸強度達到最大值，隨后拉伸強度逐漸下降；當含量超過50%時，拉伸強度又呈現上升的趨勢。出現這一現象的原因與鎂鹽晶須在體系中的分散狀態和含量有關。當含量低于40%時，鎂鹽晶須在體系中分散情況較好，鎂鹽晶須的存在一方面能夠吸收外界能量，提高產生裂紋的應力值，另一方面，由于鎂鹽晶須具有高的形變能力和抗張強度，它能加速能量的逸散并抑制裂紋的延伸，從而提高材料的拉伸強度；當的含量在40-50%之間時，由于鎂鹽晶須的極性較強，容易聚集成團，導致在基體中的分布不均，對材料產生了不利的影響；當鎂鹽晶須的含量超過50%時，此時體系變為聚乙烯塑料LDPE填充鎂鹽晶須，拉伸強度的提高體現了鎂鹽晶須自身的力學性質。

　　2.2.1.2鎂鹽晶須的熱分解特性

　　在聚乙烯塑料中添加無機阻燃劑來制備無鹵阻燃材料已經得到了廣泛的應用，聚乙烯常用的無機阻燃劑主要有磷酸鹽類、金屬氫氧化物類、金屬氧化物類等，表2列出了鎂鹽晶須 、Mg(OH)2 、Al(OH)3這三種無機阻燃劑的熱分解特性。

　　表2  無機阻燃劑的主要熱分解特性

	比重(g/cm3)	每mol結合水(%)	分解溫度(°C)	吸熱量(J/g)
Al(OH)3	2.42	24.6	200	1968
Mg(OH)2	2.4	31.0	340	773
MOS	2.3	37.5	306.8，421.4	321，500

  比重(g/cm3) 每mol結合水(%) 分解溫度(°C) 吸熱量(J/g)
Al(OH)3 2.42 24.6 200 1968
Mg(OH)2 2.4 31.0 340 773
MOS 2.3 37.5 306.8，421.4 321，500

　　鎂鹽晶須和Mg(OH)2 、Al(OH)3的阻燃機理相同，即在燃燒時發生脫水反應吸收大量的外界熱能從而降低基材的溫度，生成的水蒸汽不僅能稀釋火焰區反應氣體的濃度而且能吸收煙霧，起到消煙的作用。從表2中可以看出，鎂鹽晶須開始釋放水的溫度高于Al(OH)3，它有兩個分別為306.8°C和421.4 °C吸熱峰，這兩個溫度正對應于聚乙烯的熱分解區域為340-440°C，而且吸收的熱量高于Mg(OH)2，因此鎂鹽晶須克服了Al(OH)3分解溫度低以及Mg(OH)2吸熱量不高的缺點，不僅能適應成型加工時較高的溫度而且能表現出良好的阻燃效果。

2.2.1.3鎂鹽晶須阻對熱釋放速率的影響

圖4 阻燃LDPE體系熱釋放速率

　　由圖4我們可以看到，純LDPE的著火時間為70秒，最大熱釋放速率很高，為1268kW/m2；添加10%的鎂鹽晶須時，著火時間為85秒，最大熱釋放速率為857 kW/m2；添加20%的鎂鹽晶須時，著火時間為90秒，最大熱釋放速率為604 kW/m2；添加30%的鎂鹽晶須時，著火時間為95秒，最大熱釋放速率為510 kW/m2；添加40%的鎂鹽晶須時，著火時間為105秒，最大熱釋放速率為402 kW/m2；加50%的鎂鹽晶須時，著火時間為110秒，最大熱釋放速率為295 kW/m2；加60%的鎂鹽晶須時，著火時間為120秒，最大熱釋放速率降為167 kW/m2。圖中可以明顯看出純樣隨著時間的推移有一個劇烈的燃燒放熱階段，而鎂鹽晶須加入，這個放熱階段逐漸后移，著火時間逐漸后延，且熱釋放速率變得平緩，并以兩個燃燒放熱階段出現，第一個階段為鎂鹽晶須失去結晶水，第二個階段為鎂鹽晶須脫羥基和聚乙烯分解過程，這樣就避免了材料在一個階段內劇烈反應而造成火災的轟然現象。由分析可知，隨著鎂鹽晶須含量的增加，復合材料的熱釋放速率降低，著火時間也向后推移。表明鎂鹽晶須能夠有效的降低LDPE的燃燒性。
　　2.2.2鎂鹽晶須在阻燃紙上的應用

　　阻燃和不燃紙在各種工業材料、電氣材料、建材和食品相關領域需要量很大。目前用的不燃紙較多的是用氫氧化鋁粒狀品制造，燃燒后紙的形狀不能保持。用鎂鹽晶須制成的不燃紙能保持形狀，并能在造紙時，由于鎂鹽晶須有很好的濾水性，可保證良好的制作工藝。

　　表3 阻燃紙的組成與物性

No.	組            成   （%）			物              性
	MOS	天然紙漿	其他粘合劑	厚度 (mm)	坪量 (g/m2)	密度 (g/cm2)
1	65	10	25	0.43	187	0.44
2	65	10	25	3.15	2422	0.77

　　2.2.3鎂鹽晶須在防火涂料上的應用

　　鎂鹽晶須加入丙烯酸基涂料、環氧樹脂基涂料等樹脂基涂料中，能使涂料粘度成指數增加，具有很好的增稠性和觸變性，可大大提高使用性能和涂抹效果。這一特性使它們在涂料和粘合劑領域有很好的應用前景。

　　目前，市場上銷售的鋼結構防火涂料，無論厚涂型、薄涂型還是礦物棉類建筑防火隔熱涂料其中都或多或少地添加了巖棉纖維、陶瓷纖維、硅酸鋁纖維等纖維材料，其目的就是減少施工過程或涂層初期干燥過程中出現的龜裂現象；同時加入高熔點的無機纖維，能增加涂層的火焰中的整體性及涂層在火災中驟冷驟熱情況下不開裂等性能。另外，纖維材料的增強作用和增稠作用，可以使得涂料施工每一遍的厚度增加，減少了施工次數，從而降低了施工費用和縮減了工期。

　　超薄型鋼結構防火涂料雖然理化性能強于厚涂型、薄涂型鋼結構防火涂料，但是其由于自身組分及配比的關系，其每遍涂刷量較少，一般一遍涂層厚度只能達到0.2-0.6毫米，如果要達到涂刷規定的厚度一般要十幾遍以上，施工耗時耗力。如果強行增加每遍的厚度，就會造成涂層流墜、滴落、乳突、開裂等現象，既浪費材料，又達不到良好的后期效果。如果采用硅酸鋁纖維等纖維材料填充，由于這類纖維平均直徑為3-8mm，長度達到100-250 mm，必然造成涂料分散困難，涂料中出現許多顆粒狀物質，并且有少量結塊，涂層外觀粗糙，涂層受熱發泡能力、隔熱隔火能力大幅度下降，這就失去了超薄型鋼結構防火涂料的固有特性，無法達到國家標準規定的該類產品厚度2.00±0.20 mm，耐火極限達到1.0小時的要求。

　　基于以上的情況，采用直徑為0.8-1.2 mm，長度為20-200 mm的 鎂鹽晶須材料填充。按一定的比例高速攪拌分散到已有的超薄型鋼結構防火涂料中，在15分鐘內就可以完全分散均勻，涂料粘度增加了一倍。經攪拌后涂料狀態呈均勻細膩狀態，無結塊；施工厚度從原來的0.5 mm提高到0.9 mm，防流掛性能提高；測試其性能，粘結強度從0.64Mpa提高到1.28Mpa，耐水、耐冷熱循環性能都顯著提高；在耐火實驗中，發現晶須的加入提高了涂層及炭化層在火焰中的強度，避免分解反應中逸出大量的氣體造成炭化層結構的破壞。

　　在阻燃和防火上具有相似應用的晶須材料還有：氫氧化鎂晶須、二氧化硅晶須、硼酸鎂晶須、硼酸鋁晶須、氧化鋅晶須、氧化鎂晶須等。

　　3 結束語

　　晶須材料作為一類新穎的增強材料，具有高強度、堅韌、耐溫、阻燃、耐磨、防腐、絕緣、阻尼、吸波等功能，可以用于復合各種塑料（如聚乙燃、聚丙燃、聚氯乙烯、聚苯乙烯、ABS、聚酯、酚醛和環氧樹脂）、制作塑料門窗型材及增強塑料管材、增粘增強涂料、造阻燃紙、作輕型建筑材料和過濾材料等，具有很好的深度開發和有廣闊的應用前景。晶須增強阻燃塑料新型復合材料的開發和在汽車、電子電氣、化工、建材等工業領域的應用，必將對提高產品的整體質量、趕超世界先進水平有重要影響，在促進和帶動塑料工業和相關行業的發展中起積極作用。