第五节 无机纤维
无机纤维包括天然无机纤维和人造无机纤维两类。天然无机纤维主要是石棉纤维；人造无机纤维包括玻璃纤维、碳纤维、金属纤维、陶瓷纤维等。
一、石棉纤维
石棉纤维是天然矿物质纤维，是由中基性的火成岩或含有铁、镁的石灰质白云岩在中高温环境变质条件下生成的变质矿物岩石结晶。它的基本化学组成是含镁、钠、钙、铁、铝的硅酸盐或铝硅酸盐，且含有羟基。
石棉纤维包括角闪石石棉和蛇纹石石棉两种。蛇纹石石棉中最主要的品种是温石棉。
硅酸盐矿物的天然结晶有两大类，一大类是三维立体柱状结构，其完美纯正结晶是石英；另一大类是二维片状结构，其多层片状叠合结晶是云母，且云母单层厚度为0.5～0.6nm。将单层片状硅酸盐盘卷成空心圆管，卷叠层数一般为10～18层，这就是单根石棉纤维，其外直径为19～30nm，空心管芯直径为4.5～7nm。许多单根石棉纤维按接近六方形堆积结合成束，即构成了石棉纤维结晶束。石棉纤维外形及其截面如图1-16所示。石棉矿石中束纤维及单纤维长度很长，我国开采保存的最长纤维束达2.18m。开采后，石棉纤维有所折断，长度视加工条件而定，一般为3～80mm。
温石棉一般为深绿、浅绿、土黄、浅黄、灰白或白色，半透明，有蚕丝光泽，耐碱性良好，耐酸性较差。角闪石石棉一般为深蓝、浅蓝、灰蓝色，有蚕丝光泽，耐酸碱性均较好。
图1-16 石棉纤维纵向和横截面形态图
石棉纤维未受损伤时，断裂比强度可达11cN/dtex，受损伤后强度会降低。回潮率为11%～17.5%，结构中大部分是结晶水。石棉纤维在300℃以下处理时，结构无损伤；在600～700℃脱析结晶水，结构破坏、变脆；在1700℃及以上，石棉结构被破坏，强度显著下降、变脆。
石棉纤维可广泛应用于耐热、隔热、保温、耐酸碱的服装、鞋靴、手套，化工过滤材料，电解槽隔膜织物，锅炉和烘箱等的热保温材料，石棉瓦、石棉板等建筑材料，电绝缘的防水填充材料等。但由于石棉破碎后成为直径亚微米级的短纤维末，在流动空气中会随风飞散，被人吸入肺部将引起硅沉着病。目前在全世界范围内已公开限制或禁止石棉纤维的应用，其生产规模近年来已明显萎缩。
二、玻璃纤维
玻璃纤维是用硅酸盐类物质经人工熔融纺丝形成的无机长丝纤维。
玻璃纤维的基本组成是硅酸盐或硼酸盐，及天然矿物的石英砂、石灰石、白云石、石蜡等加配纯碱（碳酸钠）、硼酸等。其主要成分是二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁，及钙、硼、镁、钡、钾、钠等元素的氧化物。根据玻璃纤维中碱金属氧化物含量的不同可以形成不同的玻璃纤维品种，如无碱电绝缘玻璃纤维（E玻璃纤维）、碱玻璃纤维（A玻璃纤维）、耐化学玻璃纤维（C玻璃纤维）、高拉伸模量玻璃纤维（M玻璃纤维）、高强度玻璃纤维（S玻璃纤维）、含铝玻璃纤维（L玻璃纤维）、低介电常数玻璃纤维（D玻璃纤维），以及其他特种玻璃纤维，如光导玻璃纤维、防辐射玻璃纤维等，见表1-6。
除了浓碱、浓磷酸和氢氟酸，玻璃纤维几乎能耐所有的化学试剂。
玻璃纤维是表面光滑的线状圆柱体，截面的圆整程度与纺丝工艺密切相关。
以玻璃纤维织物为增强材料、高聚物为基体而形成的复合材料，称为“玻璃钢”，在交通运输、环境保护、石油化工、电子工业、机械、航空航天、核能军事等部门和产业中得到广泛应用，具有强度高、刚性好、不吸水、外表面光洁、密度低、抗氧化、耐腐蚀、隔热绝缘、减震以及容易成形和成本较低等特点。
表1-6 几种常见的玻璃纤维化学组成（质量分数，%）
利用玻璃纤维导光损耗低（吸收率低），芯层与皮层界面全反射，且折射漏射少，作为通信信号传输材料已得到广泛应用。
在医疗图像传输领域内，高数值孔径、宽纤芯的复式光导纤维在胃镜检测等领域也已有应用。
近年来，在光导玻璃纤维原料配方中增加适量的稀土元素，可生产出用于光学放大的玻璃纤维激光器，这是玻璃纤维发展的新方向。
三、金属纤维
金属纤维是指金属含量较高、金属材料连续分布、横向尺寸在微米级的纤维。
金属纤维按其主要成分可分为金、银、铜、镍、不锈钢、钨等纤维。
1.金属纤维的加工方法
（1）线材拉伸法。指金属线材经过拉伸、热处理回火、再拉伸、再热处理回火反复循环十余次使线材直径达到微米级纤维的加工方法。
（2）熔融纺丝法。将熔融态金属由小孔直接挤压流出，拉伸、挤压喷射骤冷或离心力甩出骤冷等方法制成的直径达到微米级金属纤维的方法。
（3）金属涂层法。在金属纤维或有机聚合物纤维上镀连续金属薄膜（电镀、化学镀或溅射）所形成的复合纤维。
（4）膜片法。在有机聚合物膜上镀（电镀、化学镀或溅射）连续金属薄膜、再切割成狭条后加工而成的纤维。
（5）生长法。在气相或液相中沉积或析出结晶生长形成的金属纤维，这种纤维最细可达纳米级或亚纳米级。
金属纤维直径为微米级，如不锈钢纤维直径一般为10μm左右，目前市场供应的不锈钢纤维平均直径为4μm。金属纤维具有良好的力学性能，断裂比强度和拉伸比模量较高，而且可耐弯折、韧性良好；具有很好的导电性，能防静电，如钨纤维可用作白炽灯泡的灯丝，同时它也是防电磁辐射和导电及电信号传输的重要材料；具有耐高温性能。不锈钢纤维、金纤维、镍纤维等还具有较好的耐化学腐蚀性能，空气中不易氧化等性能。
2.金属纤维的应用
（1）作为智能服装中电源传输和电信号传输的导线。
（2）可作为一般功能性服装中的抗静电材料，金属短纤维混纺比＜10%，金属纤维长丝混纺比＜2.5%，即可达到完全消除各种摩擦、感应等静电。这在油、气田及易燃易爆产品的生产企业，石油、天然气等易燃易爆材料的运输过程，电气安全操作场所等均很适用。
（3）金属纤维嵌入织物中，可使其具有良好的电磁屏蔽效果，在军事、航空、通信及机密屏蔽环境等方面具有广泛应用。
（4）可用作化学药剂、加工材料、废液废水过滤的滤网，高温粉尘过滤器的滤网以及要求高强、耐磨、导电运输带等的材料。
（5）金属复合材料中的增强材料，如防爆轮胎、汽车发动机的连杆等。
（6）其他特殊材料，如导电纸、白炽灯泡的灯丝等。
四、陶瓷纤维
陶瓷纤维又称氧化铝纤维，是一种纤维状无机耐火材料，具有重量轻、耐高温、热稳定性好、导热率低、比热容小、耐机械振动等优点，是一种十分优异的产业用纤维材料。
1.陶瓷纤维的分类和应用 熔融的陶瓷材料在骤冷条件下形成玻璃态的非晶质纤维，如在熔点保持足够的时间，就可变为多晶相晶质纤维。
晶质纤维与非晶质纤维均属于Al2O3-SiO2系纤维，Al2O 3含量的不同会得到不同结构性能的陶瓷纤维。Al2O3含量在72%以上的陶瓷纤维称为晶质纤维。
非晶质纤维大多用于制造中、低档陶瓷纤维，使用温度不超过1300℃。晶质纤维用于制造高档陶瓷纤维，使用温度为1500～1600℃。
陶瓷纤维的使用形式可以是散纤和各种形式的纤维集合体，可按纺织过程集合，也可借助其他物质混合成形。表1-7列举了不同应用形式的陶瓷纤维。
表1-7 按应用形式分类的陶瓷纤维
2.化学组成和性能 陶瓷纤维的化学成分中，Al2O3、SiO2、ZrO2、Cr2O 3等氧化物是纤维的主要成分，还包括伴随在原料中的有害杂质和纤维生产过程中为改善性质而添加的成分，如K2O、Na2O、Fe2O3、TiO2、FeO、CaO、MgO等氧化物，这些杂质大多能在高温时起熔剂的作用，但会损害纤维的耐热性。不同陶瓷纤维的化学组成见表1-8。
表1-8 不同陶瓷纤维的化学组成
在氧化和中性气氛条件下，陶瓷纤维具有优良的化学稳定性；在还原性气氛及真空条件下或含有硫酸盐、氟化物碱金属等物质的条件下，陶瓷纤维的化学稳定性差。
五、碳纤维
通常将在1000～2300℃范围内炭化得到的纤维称为碳纤维（CF），将在2300℃以上炭化得到的纤维称为石墨碳纤维（GPCF）。
碳纤维是由有机纤维经固相反应转变而成的纤维材料，是一种非金属材料。碳纤维性能优异，拉伸断裂强度和初始模量分别可达2～4GPa和400～700GPa，质强且轻，具有耐高温、耐腐蚀、耐辐射等功能。石墨碳纤维有类似于石墨的结构，导电性好并有金属光泽，含碳量超过98%。
可用于制备碳纤维的聚合物原料有黏胶纤维、聚丙烯腈、沥青、酚醛树脂等。其中，聚丙烯腈是制备碳纤维长丝最主要的原料。
用于生产碳纤维的聚丙烯腈纤维和民用的聚丙烯腈纤维不同。为了促进预氧化和环化交联反应的实施，用作碳纤维的聚丙烯腈共聚物中还应含有丙烯酸、甲基丙烯酸、衣康酸等共聚物，同时相对分子质量提高到8万～10万。
各种原丝制备的碳纤维性能见表1-9。
表1-9 各种原丝基碳纤维的性能
碳纤维具有许多优异的性能。在航天和军事领域，碳纤维可用来制造航天飞机的轨道器，火箭和导弹的轻质用材，人造卫星的各种结构；在航空高新技术领域，则被用来制造电子对撞机的构件、铀的分离与浓缩、先进客机制造、战斗机轻量化、制动材料等。
六、碳化硅纤维
碳化硅纤维是由碳原子和硅原子通过共价键结合的无机高聚物纤维。其主要生产方法有前驱体法、化学气相沉积法、超微粉末烧结法、碳纤维转化法。其中，碳纤维转化法是指活性碳纤维在真空高温1200～1300℃条件下与SiO2反应生成SiC，再在高温1600℃氮气条件下热处理制得。该法得到的碳化硅纤维直径为20μm，密度为2.1g/cm3。
碳化硅纤维具有很好的耐热性，在大气条件下可耐1200～1500℃的高温，可用于宇宙飞行器上的耐高温结构部件，在特殊高温条件下的耐高温毡垫等领域也有应用。
七、玄武岩纤维
玄武岩是火山喷发形成的火山岩，主要成分是含钙、镁、铁的硅酸盐或偏硅酸盐，此外还有一些含铝、锰、钛、钠、锂等的氧化物。玄武岩在高温熔融后经由耐高温、耐腐蚀的金和铂制得的喷丝板孔喷出，纺成长丝。玄武岩纤维具有耐高温、耐化学腐蚀、高强、高模、高硬度等特点，最高使用温度为650℃。
八、硼纤维
硼纤维是一种复合纤维，它是以钨纤维、玻璃纤维或碳纤维为芯丝，然后将三氯化硼和氢气的混合物在1300℃发生化学反应生成的硼原子沉积到芯丝上形成纤维，也可采用乙硼烷热分解或者热熔融乙硼烷析出硼，沉积到芯丝上形成硼纤维。
硼纤维具有超高的拉伸强度和压缩强度、良好的耐高温性。
硼纤维可以与铝、镁、钛等金属为基体或以高聚物树脂为基体制成纤维增强复合材料，应用于航空航天、工业制品、体育和娱乐等方面。
思考题
1.羊毛的形态特征有哪些？
2.简述羊毛卷曲的原因。
3.莱赛尔纤维和普通黏胶纤维的生产工艺有何不同？
4.简述竹原纤维和竹浆纤维的区别。
5.半合成纤维有哪几种？简述其加工工艺和形态特征。
6.聚丙烯腈碳纤维的加工工艺有哪些？简述每一步工艺的意义及其产品的特征。
7.影响玻璃纤维化学性质的因素有哪些？